En kolossal karta över universum visar nu att det kosmiska ”tomrummet” inte alls är så tomt som vi trott. Samtidigt väcker de nya uppgifterna allvarliga frågor om själva karaktären hos mörk energi.

Efter fem års oavbrutet arbete har DESI-teleskopet skapat en tredimensionell karta med tiotusentals miljoner galaxer. Denna gigantiska datasamling ger oss en blick 11 miljarder år bakåt i tiden och låter oss undersöka huruvida den kraft som driver universums expansion verkligen beter sig som fysikerna förutsagt.

Fem års observation av mörkret, som visade sig vara fullt av struktur

På toppen av Kitt Peak-observatoriet i Arizona finns instrumentet DESI, som står för Dark Energy Spectroscopic Instrument. Det är inte ett enda stort teleskop, utan snarare ett avancerat system av 5 000 fiberoptiska sensorer, som fungerar som tusentals små, datorstyrda ögon. Varje sensor fångar ljus från en unik del av himlen och delar upp det i sina färgkomponenter, ungefär som ett otroligt precist prisma.

På så vis kan forskarna mäta fenomen som rödförskjutning, vilket gör det möjligt att beräkna en galax avstånd och hastighet. Dessutom samlas information in om objektens kemiska sammansättning och typ. Ur en astrofysisk synvinkel är detta avgörande data: det visar inte bara var något befinner sig, utan också hur snabbt det rör sig bort och vad det består av.

DESI har samlat in data från över 47 miljoner galaxer och kvasarer samt omkring 20 miljoner närliggande stjärnor. Resultatet är den största tredimensionella kartan över kosmos någonsin.

Omfattningen av detta projekt är minst sagt imponerande. Den totala datamängden är ungefär sex gånger större än allt som tidigare uppnåtts med liknande himmelskartläggningar. Tack vare detta har forskarna nu en modell av rymden som gör det möjligt att följa utvecklingen av kosmiska strukturer över mer än 11 miljarder år.

Så avslöjar galaxkartor hemligheter om mörk energi

I centrum för DESI-teamets intresse står mörk energi – en gåtfull energiform som, enligt nuvarande uppskattningar, utgör omkring 69 procent av hela universums innehåll. Den utsänder inget ljus eller strålning och kan inte observeras direkt. Dess existens kan endast härledas från den hastighet med vilken galaxer rör sig bort från varandra.

Sedan slutet av 1990-talet har vi vetat att universums expansion accelererar. Den mest rättframma förklaringen är att det verkar en sorts inbyggd ”antigravitation” – en energi med ett konstant värde som fyller hela rymden jämnt. I standardmodellerna för kosmologi antar man att detta värde inte förändras över tid.

DESI:s uppdrag är att testa huruvida detta antagande håller streck i mötet med verkliga data. Fördelningen av galaxer i enorma skalor bildar ett karakteristiskt mönster som påminner om ett nätverk av superhopar, filament och tomrum. Genom att analysera den exakta formen av detta nätverk kan man avläsa hur energin bakom universums expansion har betett sig i olika kosmiska tidsåldrar.

De första analyserna har redan väckt tvivel

Preliminära analyser av en del av DESI:s data skapade uppståndelse i fysikernas värld. Resultaten antydde att mörk energi kanske inte beter sig som en oföränderlig konstant. I stället kunde dess ”styrka” möjligen ha förändrats något över tid.

För kosmologer är detta ett scenario som vänder upp och ner på den annars välordnade bilden av universum. Om mörk energi inte är konstant måste vi ompröva många fundamentala antaganden, allt från kvantvakuumets natur till hur de mest avlägsna kosmiska epokerna kommer att forma sig.

Den kompletta kartan från DESI:s fem års arbete ska slutgiltigt avgöra huruvida mörk energi är stabil, eller om den faktiskt förändras i takt med universums ålder.

Endast med det fullständiga datasetet är det möjligt att sortera bort statistiska fel och andra störande effekter som kunde ha påverkat de tidigare analyserna. Det är därför inte förvånande att teoretiska fysiker väntar spänt på de slutliga resultaten, som vore det en dom över den modell de använt i årtionden.

Ett instrument som var för bra för sitt första uppdrag

Skaparna av DESI förväntade sig att instrumentet skulle vara effektivt, men de hade inte förutsett hur effektivt det skulle bli. Varje natt genererade det omkring 80 gigabyte data, medan det systematiskt skannade cirka två tredjedelar av den nordliga himlen. Tack vare denna effektivitet nåddes de ursprungliga målen snabbare än planerat.

Denna ”överskjutande kapacitet” öppnade dörren för nya, spännande projekt. Eftersom spektroskopiska data ändå samlades in från enorma områden av himlen, lade teamet under tiden till ytterligare observationsprogram riktade mot andra kosmiska gåtor.

En högupplöst karta över galaxtäthet i stora kosmiska skalor
Precisa mätningar av rödförskjutning för kvasarer
En mer noggrann inventering av stjärnor i vår del av Vintergatan
Identifiering av ovanliga objekt som inte passar in i kända kategorier

Detta breda datapaket gör DESI till ett verktyg som inte bara testar mörk energi, utan även andra beståndsdelar av kosmos, såsom mörk materia och spår efter tidigare galaxkollisioner.

Uppdraget är förlängt till 2028

I stället för att ”pensionera” instrumentet har det beslutats att förlänga dess arbete till åtminstone 2028. Den insamlade informationen är så rik att forskare kommer att ägna många år åt att analysera, jämföra och korsgranska den med datorsimuleringar.

De kommande åren ska bland annat användas för att spåra stjärnströmmar som bildas av sönderslitna dvärgalaxer, samt att leta efter subtila signaler som kan indikera närvaron av mörk materia. Vart och ett av dessa projekt kan i framtiden leda till justeringar av våra nuvarande kosmologiska modeller.

DESI utvecklas från att bara vara en ”räknare” av mörk energi till ett mångsidigt laboratorium för studiet av kosmiska strukturer i en aldrig tidigare skådad skala.

Vad kartan berättar om ”tomrummet” i kosmos

Begreppet ”kosmiskt tomrum” leder tankarna till absolut ingenting. Den tredimensionella kartan från DESI målar dock en långt mer komplex bild. I de största skalorna liknar universum en svamp eller ett nätverk – med tjocka ”trådar” av galaxer och enorma områden med lägre materiatäthet.

Dessa områden är avgörande, för det är just här man lättast kan observera effekten av mörk energi. Där det saknas stora anhopningar av materia blir dess verkan inte maskerad av den starka gravitationen från galaxer och hopar. Därför har en exakt kartläggning av dessa kosmiska tomrum blivit en av de mest värdefulla delarna av DESI-kartan.

Jämfört med tidigare kartläggningar fyller den nya kartan inte bara luckor utan avslöjar också finare detaljer. Forskare kan nu jämföra den faktiska fördelningen av strukturer med simuleringar där de justerar parametrarna för mörk energi. Skillnaderna mellan modell och verklighet gör det möjligt att utesluta vissa teorier eller – i yttersta konsekvens – tvinga oss att skriva helt nya.

Hur dessa studier kan forma vår syn på universums framtid

Universums öde beror direkt på hur mörk energi beter sig. Om dess verkan förblir stabil kommer kosmos att fortsätta expandera snabbare och snabbare, och avlägsna galaxer kommer slutligen att försvinna bortom vår observationsräckvidd. I en mycket avlägsen framtid kommer natthimlen att bli betydligt fattigare på objekt.

Om det visar sig att mörk energi försvagas blir bilden annorlunda: expansionen kunde gradvis bromsa in. Det finns också modeller där dess styrka växer, vilket leder till ett dramatiskt scenario där alla strukturer blir ”sönderrivna” i en extremt avlägsen framtid. DESI ska hjälpa oss att skilja mellan vilka av dessa versioner som är rimliga och vilka som bäst hör hemma i spekulationernas värld.

Även om det kan låta abstrakt, då vi talar om tidsskalor på miljarder år, har denna forskning också praktiska konsekvenser. Den testar gränserna för de fysiska teorier som många av dagens teknologier bygger på – från satellitnavigation till tidssystem. När fysiker prövar noggrannheten hos den allmänna relativitetsteorin bekräftar de samtidigt hur mycket vi kan lita på fundamentet för modern teknik.

Samtidigt genererar uppdrag som DESI enorma datamängder som kräver nya analysmetoder. Detta driver utvecklingen av maskininlärningsalgoritmer, mer effektiva datalagringslösningar och programvara för visualisering av komplexa strukturer. Verktyg skapade för att utforska kosmos finner ofta ett nytt liv inom medicin, finans och klimatanalys.