تلسکوپ ۴متری مایال (Mayall) در رصدخانه ملی کیت پیک (Kitt Peak) در نزدیکی توسان (Tucson)

اخترشناسان به‌دنبال اجرای بلندپروازانه‌ترین برنامه‌ای هستند که تاکنون برای نقشه‌برداری از کهکشان‌ها انجام شده است. طی پنج سال آینده تلسکوپی در آریزونا خواهیم دید -که با هزاران بازوی رباتی کوچک تجهیز شده است- تا طیف نوری ۳۵میلیون کهکشان را جمع کند و تاریخ انبساط جهان را بازسازی کند. هدف اصلی آنها: مشخص کردن ماهیت انرژی تاریک است، نیروی مبهمی که به جهان فشار می‌آورد تا با سرعت هرچه بیشتر شتاب بگیرد.

طبق برنامه‌ریزی قرار است ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) «اولین نور» را در ماه سپتامبر ببیند. این ابزار پس از یک دوره انجام ماموریت، می‌تواند بررسی آسمان نیم‌کره شمالی را - (بااستفاده‌از تلسکوپ ۴متری مایال در رصدخانه ملی کیت پیک در نزدیکی توسان)- هرچه زودتر در ژانویه ۲۰۲۰ آغاز کند. تقریبا سه‌چهارم بودجه‌ی ۷۵میلیون دلاری DESI از سوی وزارت انرژی آمریکا (DOE)،‌ با مشارکت عمده انگلیس و فرانسه، تامین می‌شود.

DESI اولین مورد از نسل جدید تحقیقات آزمایشگاهی درمورد انبساط پیشین کیهانی است که دو دهه پس از پیدا شدن اولین شواهد قوی از انرژی تاریک در سال ۱۹۹۸، انجام می‌شود. دیگر تحقیقات شامل رصدخانه‌های زمینی و فضایی است که در دهه ۲۰۲۰ وارد شبکه خواهند شد.

این بررسی ۱۱ میلیارد سال از تاریخ کیهان را بازسازی خواهد کرد. و می‌تواند به اولین و مهم‌ترین پرسش درباره انرژی تاریک پاسخ دهد: آیا انرژی تاریک یک نیروی یکنواخت (ثابت) در امتداد فضا و زمان است یا بزرگی آن با گذشت زمان، از ابتدا تا کنون، رشد کرده و افزایش یافته است.

این پژوهش با اندازه‌گیری ویژگی‌های جهان اولیه، معروف به نوسانات صوتی باریونی (BAO)، انبساط کیهانی را ردیابی خواهد کرد. این نوسانات به‌صورت موج‌هایی در چگالی ماده هستند که اثری کروی در فضای اطراف خوشه‌های کهکشانی به‌جا می‌گذارد. توزیع کهکشان‌ها در مرکز این اثر، ناحیه موسوم به ابَرخوشه و اطراف لبه آن - با وجود حفره‌های غول‌پیکر بین این نواحی- بیشتر است.

الگوی اصلی

ابرخوشه‌ها در نواحی‌ای تشکیل شده‌اند که در آنجا ماده تاریک –ماده نامرئی‌ای که باعث تشکیل چنین ساختارهای بزرگ‌مقیاسی می‌شود- تحت کشش گرانشی خود متراکم شده بود.

این الگوی اصلی تشکیل خوشه‌های کهکشانی تا حدود یک میلیون سال پس از مه‌بانگ بدون تغییر باقی ماند. با بزرگ‌شدن جهان، BAOها انبساط جهان را دنبال کردند؛ و گستردگی کنونی آنها حدود ۳۲۰ مگاپارسک (یک‌میلیارد سال نوری) است. کیهان‌شناسان با دنبال‌کردن اندازه BAO در طول زمان، از این فاصله‌ها به‌عنوان خط‌کش استفاده می‌کنند؛ و به‌این‌ترتیب می‌توانند چگونگی انبساط جهان را بازسازی کنند.

دنیل ایزنشتین، فیزیک‌دان دانشگاه هاردوارد در کمبریج و سخن‌گوی DESI می‌گوید: الگوی این نقشه دراساس ثابت است؛ فقط مقیاس درحال افزایش است.

ردیابی BAOبه یک نقشه سه‌بعدی از کهکشان‌ها نیاز دارد که با اندازه‌گیری انتقال‌به‌ سرخ آنها به‌دست می‌آید؛ طول‌موج امواج الکترومغناطیسی در طیف نور مرئی آنها. انتقال‌به‌ سرخ سرعت دورشدن یک کهکشان از راه شیری را تعیین می‌کند، که نشان‌دهنده فاصله کهکشان از ما است.

هرچه انتقال‌به‌ سرخ اندازه‌گیری‌شده بیشتر باشد، ردیابی BAO هم دقیق‌تر خواهد بود. ایزنشتین و دیگران در بررسی کهکشان‌های پیشین ردی از BAO غیرقابل تردید پیدا کرده‌اند، بخصوص در بررسی طیف‌سنجی باریونی (BOSS) مستقر در آمریکا که در سال ۲۰۱۴ پایان یافت،‌ و در بررسی انتقال‌به سرخ کهکشانی در میدان دودرجه‌ای مستقر در استرالیا که در سال ۲۰۰۲ پایان یافت. این دو پژوهش باهم نقشه حدود ۲.۴ میلیون کهکشان را ترسیم کرد.

تعداد کهکشان‌هایی که DESI بررسی و دنبال خواهد کرد، از‌لحاظ بزرگی پژوهش‌های پیشین را پوشش خواهد داد. مایکل لوی، فیزیک‌دان آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی در کالیفرنیا و مدیر DESI می‌گوید: ما طی فقط چند ماه از آنچه در BOSS انجام شده، پیشی خواهیم گرفت.

بهینه‌سازی ربات

DESI به‌لطف طراحی کاملا متفاوت به چنین سرعتی دست می‌یابد. پژوهش‌هایی مانند BOSS از فیبرهای نوری، که در سوراخ‌هایی که در صفحات فلزی جای‌گرفته‌اند، بهره برده است تا نور این کهکشان‌ها را جمع کند و به یک طیف‌سنج جدا تحویل دهد تا انتقا‌ل‌به‌سرخ را اندازه‌گیری کند. اما این صفحات باید تغییر کنند تا قسمت‌های مختلف آسمان را که دردسرساز بود، بررسی کنند.

با این‌که به‌طور معمول هر شب ۵ صفحه از صفحات BOSS تغییر می‌کرد، صفحه مرکزی DESI را می‌توان طی چند دقیقه برای بخش دیگری از آسمان تنظیم کرد؛ مهم‌ترین محدودیت آن مدت زمان موردنیاز برای در معرض نور قرارگرفتن است تا کافی باشد. DESI بسته به فصل و آب‌وهوا،‌ می‌تواند در هر شب ۳۰ بار یا بیشتر در معرض نور قرار گیرد که هریک هزاران انتقال‌به‌ سرخ را دربر داشته باشد.

چند آزمایش اخترشناسی دیگر، مانند تلسکوپ طیف‌سنجی فیبر چندمنظوره Large Sky Area در مرکز ژینگ‌لانگ در چین، قبلا از نگه‌دارنده‌های رباتیک استفاده کرده‌اند. اما سیلبر می‌گوید: قطعا DESI بزرگ‌ترین چیزی است که تاکنون امتحان شده است.

ناتالی پالانک-دلابرولی، سخنگوی DESI و کیهان‌شناس کمیسیون انرژی اتمی و انرژی‌های جایگزین فرانسه (CEA) در مرکز تحقیقات ساکلی در خارج از پاریس، می‌گوید: DESI علاوه‌بر بررسی انرژی تاریک، ‌با مقایسه حرکت در خوشه‌ها، نقش ماده تاریک در رشد کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را مطالعه خواهد کرد. او می‌گوید این کار «آزمون‌های نوآورانه‌ای» برای مقایسه مدل‌های مطلوب کنونی درباره این‌که چطور ماده تاریک باعث رشد ساختارهای بزرگ می‌شود، درمقابل مدل‌های جایگزینی که تشکیل این ساختارها را با به‌سازی نظریه نسبیت عام توضیح می‌دهد، فراهم می‌کند.

منبع: Nature 572, 295-296 (2019)