Encuesta de energía oscura

Proyecto para medir la expansión del universo

El Dark Energy Survey ( DES ) es un estudio astronómico diseñado para limitar las propiedades de la energía oscura . Utiliza imágenes tomadas en el ultravioleta cercano , el visible y el infrarrojo cercano para medir la expansión del universo utilizando supernovas de tipo Ia , oscilaciones acústicas bariónicas , el número de cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales débiles . ^[1] La colaboración está compuesta por instituciones de investigación y universidades de Estados Unidos, ^[2] Australia, Brasil, ^[3] Reino Unido, Alemania, España y Suiza. La colaboración se divide en varios grupos de trabajo científicos. El director de DES es Josh Frieman . ^[4]

El DES comenzó desarrollando y construyendo una Cámara de Energía Oscura (DECam), un instrumento diseñado específicamente para la encuesta. ^[5] Esta cámara tiene un amplio campo de visión y alta sensibilidad, particularmente en la parte roja del espectro visible y en el infrarrojo cercano. ^[6] Las observaciones se realizaron con DECam montada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros , ubicado en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) en Chile. ^[6] Las sesiones de observación se desarrollaron entre 2013 y 2019; A partir de 2021, ^[update]la colaboración DES ha publicado los resultados de los primeros tres años de la encuesta. ^[7]

DECam

Un cielo lleno de galaxias. ^[8]

DECam , abreviatura de Dark Energy Camera , es una cámara grande construida para reemplazar la cámara de enfoque principal anterior del Telescopio Víctor M. Blanco. La cámara consta de tres componentes principales: mecánica, óptica y CCD .

Mecánica

La mecánica de la cámara consta de un cambiador de filtros con capacidad para 8 filtros y obturador. También hay un cilindro óptico que admite 5 lentes correctoras, la mayor de las cuales tiene 98 cm de diámetro. Estos componentes están conectados al plano focal del CCD que se enfría a 173 K (-148 °F; -100 °C) con nitrógeno líquido para reducir el ruido térmico en los CCD. El plano focal también se mantiene en un vacío extremadamente bajo de 0,00013 pascales (1,3 × 10 ⁻⁹  atm) para evitar la formación de condensación en los sensores. La cámara completa con lentes, filtros y CCD pesa aproximadamente 4 toneladas. Cuando se montó en el foco principal, estaba respaldado por un sistema hexápodo que permitía el ajuste focal en tiempo real. ^[9]

Óptica

La cámara está equipada con filtros u, g, r, i, z e Y que abarcan aproximadamente entre 340 y 1070 nm, ^[10] similares a los utilizados en el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) . Esto permite a DES obtener mediciones fotométricas de corrimiento al rojo a z≈1. DECam también contiene cinco lentes que actúan como óptica correctora para extender el campo de visión del telescopio a un diámetro de 2,2°, uno de los campos de visión más amplios disponibles para imágenes ópticas e infrarrojas terrestres. ^[6] Una diferencia significativa entre los dispositivos de carga acoplada (CCD) anteriores en el Telescopio Víctor M. Blanco y DECam es la eficiencia cuántica mejorada en las longitudes de onda roja y del infrarrojo cercano. ^{[11] [9]}

CCD

La exposición número un millón de la Dark Energy Camera. La exposición número 1 millón se ha combinado con 127 exposiciones anteriores para crear esta vista del campo.

El conjunto de sensores científicos de DECam es un conjunto de 62 CCD retroiluminados de 2048 × 4096 píxeles que suman un total de 520 megapíxeles; Se utilizan 12 CCD adicionales de 2048×2048 píxeles (50 Mpx) para guiar el telescopio, controlar el enfoque y la alineación. El plano focal completo de DECam contiene 570 megapíxeles. Los CCD para DECam utilizan silicio de alta resistividad fabricado por Dalsa y LBNL con píxeles de 15×15 micras. En comparación, el CCD retroiluminado de OmniVision Technologies que se utilizó en el iPhone 4 tiene un píxel de 1,75×1,75 micrones con 5 megapíxeles. Los píxeles más grandes permiten que DECam recolecte más luz por píxel, mejorando la sensibilidad a la luz baja, lo cual es deseable para un instrumento astronómico. Los CCD de DECam también tienen una profundidad de cristal de 250 micrones; esto es significativamente más grande que la mayoría de los CCD de consumo. La profundidad adicional del cristal aumenta la longitud del camino recorrido por los fotones entrantes. Esto, a su vez, aumenta la probabilidad de interacción y permite que los CCD tengan una mayor sensibilidad a fotones de menor energía, extendiendo el rango de longitud de onda a 1050 nm. Científicamente, esto es importante porque permite buscar objetos con un corrimiento al rojo más alto, lo que aumenta el poder estadístico en los estudios mencionados anteriormente. Cuando se coloca en el plano focal del telescopio, cada píxel tiene un ancho de 0,27 pulgadas en el cielo, lo que da como resultado un campo de visión total de 3 grados cuadrados. ^[12]

Encuesta

DES tomó imágenes de 5.000 grados cuadrados del cielo del sur en una huella que se superpone con el Telescopio del Polo Sur y el Stripe 82 (evitando en gran parte la Vía Láctea). La encuesta tomó 758 noches de observación repartidas en seis sesiones anuales entre agosto y febrero para completarse, cubriendo la huella de la encuesta diez veces en cinco bandas fotométricas ( g , r, i, z e Y ). ^[13] El estudio alcanzó una profundidad de magnitud 24 en la banda i en toda el área del estudio. Se realizaron tiempos de exposición más largos y una cadencia de observación más rápida en cinco parches más pequeños que suman un total de 30 grados cuadrados para buscar supernovas. ^[14]

La primera luz se logró el 12 de septiembre de 2012; ^[15] después de un período de verificación y prueba, las observaciones científicas comenzaron en agosto de 2013. ^[16] La última sesión de observación finalizó el 9 de enero de 2019. ^[13]

Otras encuestas usando DECam

Después de completar el Estudio de Energía Oscura, la Cámara de Energía Oscura se utilizó para otros estudios del cielo:

• Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) cubre el cielo por debajo de 32° de declinación , sin incluir la Vía Láctea. Esta encuesta cubre más de 9000 grados cuadrados. ^{[17] [18]}
• Las encuestas de imágenes heredadas de DESI (Legacy Surveys), a partir de la publicación de datos 10, incluyen DECaLS, BASS y MzLS. También incorpora datos DECam adicionales, lo que significa que cubre casi todo el cielo extragaláctico del sur, incluidas partes de las Nubes de Magallanes . El propósito de Legacy Surveys es encontrar objetivos para el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura . ^{[18] [19]}
• Dark Energy Camera Plane Survey (DECaPS), cubre la Vía Láctea en el cielo del sur. ^[20]

Imagen simulada de la matriz CCD DECam en el plano focal. Cada rectángulo grande es un único CCD. El rectángulo verde rodeado de rojo en la esquina superior izquierda muestra el tamaño de la cámara CCD del iPhone 4 en la misma escala.

Observando

La huella del estudio de área amplia en el cielo (región coloreada) en coordenadas celestes; la curva discontinua muestra la ubicación aproximada del disco de la Vía Láctea en estas coordenadas.

Cada año, de agosto a febrero, los observadores se alojarán en dormitorios en la montaña. Durante un período de trabajo de una semana, los observadores duermen durante el día y utilizan el telescopio y la cámara por la noche. Habrá algunos miembros del DES trabajando en la consola del telescopio para monitorear las operaciones mientras que otros monitorearán las operaciones de las cámaras y el proceso de datos.

Para las observaciones de huellas de áreas amplias, DES toma aproximadamente cada dos minutos para cada nueva imagen: las exposiciones suelen durar 90 segundos, con otros 30 segundos para leer los datos de la cámara y girar para apuntar el telescopio a su siguiente objetivo. A pesar de las restricciones en cada exposición, el equipo también debe considerar diferentes condiciones del cielo para las observaciones, como la luz de la luna y la nubosidad.

Para obtener mejores imágenes, el equipo de DES utiliza un algoritmo informático llamado "Táctico de observación" (ObsTac) para ayudar con la secuenciación de las observaciones. Optimiza entre diferentes factores, como la fecha y hora, las condiciones climáticas y la posición de la luna. ObsTac apunta automáticamente el telescopio en la mejor dirección y selecciona la exposición utilizando el mejor filtro de luz. También decide si se toma una imagen de estudio de área amplia o de dominio temporal, dependiendo de si la exposición también se utilizará o no para búsquedas de supernovas. ^[21]

Resultados

Cosmología

Restricciones sobre una medida de la aglomeración de la distribución de materia (S8) y la densidad fraccionaria del Universo en materia (Ωm) de las 3 mediciones combinadas de DES Y1 (azul), mediciones de Planck CMB (verde) y su combinación (rojo) .

Dark Energy Group publicó varios artículos presentando sus resultados para la cosmología . La mayoría de estos resultados de cosmología provienen de los datos del primer año y del tercer año. Sus resultados para cosmología se concluyeron con una metodología de sondas múltiples, que combina principalmente los datos de lentes galaxia-galaxia, diferentes formas de lentes débiles , cizalladura cósmica, agrupación de galaxias y conjunto de datos fotométricos.

Para los datos del primer año recopilados por DES, Dark Energy Survey Group mostró los resultados de las restricciones cosmológicas de la agrupación de galaxias y las lentes débiles y la medición de la cizalladura cósmica. Con resultados de Galaxy Clustering y Weak Lensing, y para ΛCDM , y con límites de confianza del 68% para ωCMD. ^[22] Combinando las mediciones más significativas de cizalladura cósmica en un estudio de galaxias, Dark Energy Survey Group mostró que con límites de confianza del 68% y para ΛCDM con . ^[23] Otros análisis cosmológicos de los datos del primer año mostraron una derivación y validación de las estimaciones de distribución del corrimiento al rojo y sus incertidumbres para las galaxias utilizadas como fuentes de lentes débiles. ^[24] El equipo de DES también publicó un artículo que resume todo el conjunto de datos fotométricos para cosmología para sus datos del primer año. ^[25] ${\displaystyle S_{8}=\sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.773_{-0.020}^{+0.026}}$ ${\displaystyle \Omega _{m}=0.267_{-0.017}^{+0.030}}$ ${\displaystyle S_{8}=0.782_{-0.024}^{+0.036}}$ ${\displaystyle \Omega _{m}=0.284_{-0.030}^{+0.033}}$ ${\displaystyle \omega =-0.82_{-0.20}^{+0.21}}$ ${\displaystyle \sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.782_{-0.027}^{+0.027}}$ ${\displaystyle \sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.777_{-0.038}^{+0.036}}$ ${\displaystyle \omega =-0.95_{-0.36}^{+0.33}}$

Para los datos del tercer año recopilados por DES, actualizaron las restricciones cosmológicas para el modelo ΛCDM con las nuevas mediciones de cizalla cósmica. ^[26] A partir de los datos del tercer año de resultados de agrupamiento de galaxias y lentes débiles, DES actualizó las restricciones cosmológicas hacia y en ΛCDM con límites de confianza del 68%, y en ωCDM con límites de confianza del 68%. ^[27] De manera similar, el equipo DES publicó sus observaciones de tercer año para un conjunto de datos fotométricos para cosmología que comprende casi 5000 grados2 de imágenes grizY en el casquete galáctico sur, incluidos casi 390 millones de objetos, con una profundidad que alcanza S/N ~ 10 para objetos extendidos. hasta ~ 23,0 y uniformidad fotométrica máxima de la atmósfera < 3 mmag. ^[28] ${\displaystyle \sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.759_{-0.025}^{+0.023}}$ ${\displaystyle S_{8}=\sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.776_{-0.017}^{+0.017}}$ ${\displaystyle \Omega _{m}=0.339_{-0.031}^{+0.032}}$ ${\displaystyle S_{8}=\sigma _{8}(\Omega _{m}/0.3)^{0.5}=0.775_{-0.024}^{+0.026}}$ ${\displaystyle \Omega _{m}=0.352_{-0.041}^{+0.035}}$ ${\displaystyle \omega =-0.98_{-0.20}^{+0.32}}$ ${\displaystyle i_{AB}}$

Lentes débiles

Mapa de materia oscura 2021 de DES ^{[29] [30]} utilizando un conjunto de datos de lentes gravitacionales débiles proyectados en primer plano de las galaxias observadas.

La lente débil se midió estadísticamente midiendo la función de correlación de corte-cortante , una función de dos puntos, o su transformada de Fourier , el espectro de potencia de corte . ^[31] En abril de 2015, el Dark Energy Survey publicó mapas de masa utilizando mediciones de cizalla cósmica de aproximadamente 2 millones de galaxias a partir de los datos de verificación científica entre agosto de 2012 y febrero de 2013. ^[32] En 2021, se utilizaron lentes débiles para mapear la materia oscura en una región del cielo del hemisferio sur, ^{[29] [30]} en 2022 junto con datos de agrupación de galaxias para dar nuevas limitaciones cosmológicas. ^{[33] [34]} y en 2023 con datos del telescopio Planck y el telescopio del Polo Sur para proporcionar nuevas limitaciones mejoradas. ^{[35] [36] [37] [38]}

Otra gran parte del resultado de lentes débiles es calibrar el corrimiento al rojo de las galaxias fuente. En diciembre de 2020 y junio de 2021, el equipo de DES publicó dos artículos que muestran sus resultados sobre el uso de lentes débiles para calibrar el corrimiento al rojo de las galaxias fuente con el fin de mapear el campo de densidad de materia con lentes gravitacionales. ^{[39] [40]}

ondas gravitacionales

Después de que LIGO detectó la primera señal de onda gravitacional de GW170817, ^[41] DES realizó observaciones de seguimiento de GW170817 utilizando DECam. Con el descubrimiento independiente de DECam de la fuente óptica, el equipo de DES establece su asociación con GW170817 al mostrar que ninguna de las otras 1500 fuentes encontradas dentro de la región de localización del evento podría asociarse de manera plausible con el evento. El equipo de DES supervisó la fuente durante más de dos semanas y proporcionó los datos de la curva de luz en un archivo legible por máquina. A partir del conjunto de datos de observación, DES concluyó que la contraparte óptica que identificaron cerca de NGC 4993 está asociada con GW170817. Este descubrimiento marca el comienzo de la era de la astronomía de múltiples mensajeros con ondas gravitacionales y demuestra el poder de DECam para identificar las contrapartes ópticas de fuentes de ondas gravitacionales. ^[42]

Galaxias enanas

Galaxia espiral NGC 895 fotografiada por DES

En marzo de 2015, dos equipos publicaron sus descubrimientos de varias nuevas candidatas potenciales a galaxias enanas encontradas en los datos del Año 1 del DES. ^[43] En agosto de 2015, el equipo de Dark Energy Survey anunció el descubrimiento de ocho candidatos adicionales en los datos del Año 2 DES. ^[44] Más tarde, el equipo de Dark Energy Survey encontró más galaxias enanas. Con más resultados de galaxias enanas, el equipo pudo analizar en profundidad más propiedades de la galaxia enana detectada, como la abundancia química, ^[45] la estructura de la población estelar, ^[46] y la cinemática y metalicidades estelares. ^[47] En febrero de 2019, el equipo también descubrió un sexto cúmulo de estrellas en la galaxia esferoidal enana Fornax ^[48] y una galaxia enana ultradébil perturbada por mareas. ^[49]

Oscilaciones acústicas bariónicas.

La firma de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) se puede observar en la distribución de los trazadores del campo de densidad de materia y se puede utilizar para medir la historia de expansión del Universo. La BAO también se puede medir utilizando datos puramente fotométricos, aunque con menor significancia. ^[50] Las muestras de observación del equipo DES constan de 7 millones de galaxias distribuidas en una huella de 4100 grados ² con 0,6 < _foto z < 1,1 y una incertidumbre típica de corrimiento al rojo de 0,03 (1 + z). ^[51] A partir de sus estadísticas, combinan las probabilidades derivadas de correlaciones angulares y armónicos esféricos para limitar la relación de la distancia del diámetro angular comoving en el corrimiento al rojo efectivo de nuestra muestra con respecto a la escala del horizonte sonoro en la época de arrastre. ^[52] ${\displaystyle D_{m}(Z_{e}ff=0.835)/r_{d}=18.92\pm 0.51}$

SuperNova-Tipo 1a

Observaciones de supernovas de tipo Ia

En mayo de 2019, el equipo de Dark Energy Survey publicó sus primeros resultados cosmológicos utilizando supernovas de tipo Ia . Los datos de la supernova procedían de DES-SN3YR. El equipo de Dark Energy Survey encontró Ωm = 0,331 ± 0,038 con un modelo ΛCDM plano y Ωm = 0,321 ± 0,018, w = −0,978 ± 0,059 con un modelo wCDM plano. ^[53] Al analizar los mismos datos de DES-SN3YR, también encontraron una nueva constante actual de Hubble , . ^[54] Este resultado tiene una excelente concordancia con la medición de la constante de Hubble de Planck Satellite Collaboration en 2018. ^[55] En junio de 2019, el equipo de DES publicó un artículo de seguimiento que analiza las incertidumbres sistemáticas y la validación del uso de supernovas. para medir los resultados de cosmología mencionados anteriormente. ^[56] El equipo también publicó sus datos fotométricos de tubería y curva de luz en otro artículo publicado el mismo mes. ^[57] ${\displaystyle H_{0}=67.1\pm 1.3\,\mathrm {km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}} }$

Planetas menores

DeCam descubrió varios planetas menores en el transcurso de The Dark Energy Survey , incluidos objetos transneptunianos (TNO) de alta inclinación . ^[58]

El MPC ha asignado el código IAU W84 para las observaciones de DeCam de pequeños cuerpos del Sistema Solar. En octubre de 2019, el MPC atribuye de manera inconsistente el descubrimiento de nueve planetas menores numerados, todos ellos objetos transneptunianos , a "DeCam" o al "Dark Energy Survey". ^[68] La lista no contiene ningún planeta menor no numerado potencialmente descubierto por DeCam, ya que los créditos de descubrimiento solo se otorgan según la numeración de un cuerpo, que a su vez depende de una determinación de órbita suficientemente segura.

Galería

• 
  Imagen de campo profundo del Dark Energy Survey

  ^[69]
• 
  La gran galaxia espiral en el centro de esta imagen está aproximadamente a 385 millones de años luz de la Tierra.
• 
  Los tres objetos grandes en esta imagen capturada por la Cámara de Energía Oscura son galaxias en el cercano cúmulo de Fornax, a aproximadamente 65 millones de años luz de la Tierra.
• 
  Estudio de energía oscura - galaxia NGC 1398

Ver también

• Encuesta de evolución cósmica

Referencias

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enlaces externos

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