암흑 에너지 탐사

암흑 에너지 탐사 또는 다크 에너지 서베이(Dark Energy Survey, DES)는 암흑 에너지의 속성을 제한하기 위해 고안된 천문 측량이다. 이 탐사는 근-자외선, 가시광선, 근-적외선으로 촬영된 이미지를 사용하여 Ia형 초신성, 중입자 음향 진동, 은하군 및 은하단의 수, 약한 중력렌즈 효과를 통해 우주팽창을 측정한다. 이 협력단은 미국, 호주, 브라질, 영국, 독일, 스페인, 스위스의 연구기관 및 대학으로 구성되어 있다. 협력단은 여러 과학 실무 그룹으로 나뉜다. DES의 책임자는 조슈아 A. 프리먼이다.

DES는 탐사를 위해 특별히 고안된 장비인 암흑 에너지 카메라(DECam)를 개발하고 구축하는 것으로 시작했다. 이 카메라는 넓은 시야와 높은 감도를 가지고 있으며, 특히 가시광선의 적색 부분과 근적외선 영역에서 뛰어나다. 관측은 칠레의 세로 톨로로 미주 천문대(CTIO)에 위치한 4미터 빅토르 M. 블랑코 망원경에 DECam을 장착하여 수행되었다. 관측 세션은 2013년부터 2019년까지 진행되었다. DES 협력단은 탐사의 첫 3년 동안의 결과를 발표했다.

 DECam 
섬네일|은하로 가득 찬 하늘

DECam은 암흑 에너지 카메라의 약어로, 빅토르 M. 블랑코 망원경의 기존 주 초점 카메라를 대체하기 위해 제작된 대형 카메라이다. 이 카메라는 기계 부품, 광학 부품, CCD의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

 기계 부품 
섬네일|SiDet의 암흑 에너지 카메라 이미저 및 CCD.
카메라의 기계 부품은 8개의 필터를 수용할 수 있는 필터 교환기와 셔터로 구성된다. 또한 5개의 보정 렌즈를 지지하는 광학 배럴이 있으며, 이 중 가장 큰 렌즈는 직경 98cm이다. 이러한 부품들은 CCD 초점면에 연결되어 있으며, CCD의 열 노이즈를 줄이기 위해 액체 질소로 까지 냉각된다. 초점면은 또한 센서에 응결이 생기는 것을 방지하기 위해 의 극도로 낮은 진공 상태로 유지된다. 렌즈, 필터, CCD를 포함한 전체 카메라의 무게는 약 4톤이다. 주 초점에 장착되었을 때 헥사포드 시스템으로 지지되어 실시간 초점 조절이 가능했다.

 광학 부품 

이 카메라는 대략 340~1070nm 범위의 u, g, r, i, z, Y 필터가 장착되어 있으며, 이는 슬론 디지털 전천탐사(SDSS)에서 사용된 것과 유사하다. 이를 통해 DES는 z≈1까지 측광 적색편이 측정을 얻을 수 있다. DECam은 또한 망원경의 시야를 2.2° 직경으로 확장하기 위해 5개의 렌즈가 보정 광학 장치로 작동하며, 이는 지상 기반 광학 및 적외선 이미징에 사용할 수 있는 가장 넓은 시야 중 하나이다. 빅토르 M. 블랑코 망원경의 이전 전하결합소자(CCD)와 DECam 사이의 한 가지 중요한 차이점은 적색 및 근적외선 파장대에서 양자효율이 향상되었다는 점이다.

 CCD 
섬네일|암흑 에너지 카메라의 100만 번째 노출. 100만 번째 노출은 127개의 이전 노출과 결합되어 이 시야를 만들었다.

DECam의 과학 센서 어레이는 62개의 2048×4096 픽셀 이면조사 CCD 배열로 총 520메가픽셀이다. 추가로 12개의 2048×2048 픽셀 CCD(50메가픽셀)는 망원경 안내, 초점 모니터링 및 정렬에 사용된다. 전체 DECam 초점면은 570메가픽셀을 포함한다. DECam의 CCD는 Dalsa와 LBNL에서 제조한 고저항 실리콘을 15×15 마이크론 픽셀로 사용한다. 비교해 보면, 아이폰 4에 사용된 옴니비전의 이면조사 CCD는 1.75×1.75 마이크론 픽셀에 5메가픽셀이다. 더 큰 픽셀은 DECam이 픽셀당 더 많은 빛을 수집할 수 있게 하여, 천문 기기에 바람직한 저조도 감도를 향상시킨다. DECam의 CCD는 또한 250마이크론의 결정 깊이를 가지고 있으며, 이는 대부분의 소비자 CCD보다 훨씬 크다. 추가 결정 깊이는 들어오는 광자가 이동하는 경로 길이를 증가시킨다. 이는 차례로 상호작용 확률을 증가시키고 CCD가 저에너지 광자에 대한 감도를 높여 파장 범위를 1050nm까지 확장할 수 있게 한다. 과학적으로 이것은 더 높은 적색편이의 물체를 찾을 수 있게 하여 위에서 언급된 연구에서 통계적 위력을 증가시키기 때문에 중요하다. 망원경의 초점면에 놓일 때 각 픽셀은 하늘에서 0.27의 폭을 가지며, 결과적으로 총 3제곱도의 시야를 제공한다.

 탐사 
DES는 남극 망원경 및 스트라이프 82와 겹치는 (대부분 우리 은하를 피하는) 발자국으로 남쪽 하늘 5,000평방도를 촬영했다. 이 탐사는 8월부터 2월까지 6년 동안 758회의 관측 밤을 통해 완료되었으며, 5개의 측광 밴드(g, r, i, z, Y)로 탐사 영역을 10번 덮었다. 이 탐사는 전체 탐사 지역에 걸쳐 i 밴드에서 24번째 겉보기등급 깊이에 도달했다. 초신성을 찾기 위해 총 30평방도의 5개의 작은 영역에서 더 긴 노출 시간과 더 빠른 관측 주기가 이루어졌다.

첫 번째 빛은 2012년 9월 12일에 관측되었고, 검증 및 테스트 기간을 거쳐 2013년 8월에 과학적 탐사 관측이 시작되었다. 마지막 관측 세션은 2019년 1월 9일에 완료되었다.

 DECam을 이용한 다른 탐사 
암흑 에너지 탐사 완료 후, 암흑 에너지 카메라는 다른 하늘 탐사에 사용되었다.

 암흑 에너지 카메라 레거시 탐사 (DECaLS)는 우리 은하를 제외하고 32°적위 아래의 하늘을 커버한다. 이 탐사는 9000평방도 이상을 포함한다.
 DESI 레거시 이미징 탐사 (레거시 탐사)는 데이터 공개 10단계부터 DECaLS, BASS, MzLS를 포함한다. 또한 추가 DECam 데이터를 통합하여 마젤란 은하 일부를 포함한 거의 전체 외부은하 남쪽 하늘을 포함한다. 레거시 탐사의 목적은 암흑 에너지 분광기의 표적을 찾는 것이다.
 암흑 에너지 카메라 평면 탐사 (DECaPS)는 남쪽 하늘의 우리 은하를 커버한다.

섬네일|초점면에 있는 DECam CCD 어레이의 시뮬레이션 이미지. 각 큰 직사각형은 단일 CCD이다. 왼쪽 상단에 빨간색으로 동그라미 쳐진 녹색 직사각형은 동일한 스케일에서 아이폰 4 카메라 CCD의 크기를 보여준다.|left

 관측 
매년 8월부터 2월까지 관측자들은 산 위에 있는 기숙사에 머문다. 일주일간의 작업 기간 동안, 관측자들은 낮에는 잠을 자고 밤에는 망원경과 카메라를 사용한다. 일부 DES 대원들은 망원경 콘솔에서 작동을 모니터링하고, 다른 대원들은 카메라 작동 및 데이터 처리 과정을 모니터링한다.

광역 탐사 영역 관측의 경우, DES는 각 새 이미지를 위해 약 2분이 소요된다. 노출은 일반적으로 90초이며, 카메라 데이터 판독과 망원경을 다음 목표물로 돌리는 데 30초가 추가로 소요된다. 각 노출에 대한 제한에도 불구하고, 팀은 월광이나 구름 덮개와 같은 다양한 하늘 조건을 고려해야 한다.

더 나은 이미지를 얻기 위해 DES 팀은 "관측 전술가"(ObsTac)라는 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 관측 순서를 정하는 데 도움을 준다. 이 알고리즘은 날짜 및 시간, 기상 조건, 달의 위치와 같은 다양한 요소를 최적화한다. ObsTac은 자동으로 망원경을 최적의 방향으로 가리키고, 최적의 광 필터를 사용하여 노출을 선택한다. 또한 노출이 초신성 탐색에도 사용될지 여부에 따라 광역 또는 시간 영역 탐사 이미지를 촬영할지 결정한다.

 결과 

 우주론 
암흑 에너지 그룹은 우주론에 대한 연구 결과를 담은 여러 논문을 발표했다. 대부분의 우주론 연구 결과는 첫해 데이터와 셋째 해 데이터에서 나왔다. 우주론에 대한 연구 결과는 주로 은하-은하 렌즈, 다양한 형태의 약한 중력렌즈 효과, 우주 전단, 은하 클러스터링, 측광 데이터 세트의 데이터를 결합한 다중 탐사 방법론으로 결론지어졌다.

DES가 수집한 첫 해 데이터에서 암흑 에너지 탐사 그룹은 은하 클러스터링과 약한 중력렌즈 효과 결과 및 우주 전단 측정에서 얻은 우주론적 제약 결과를 보여주었다. 은하 클러스터링과 약한 중력렌즈 효과 결과에 따르면, ΛCDM에 대해 및 이며, ωCMD에 대해 68% 신뢰 수준에서 , , 이다. 은하 탐사에서 가장 중요한 우주 전단 측정값을 결합하여 암흑 에너지 탐사 그룹은 68% 신뢰 수준에서 와 를 가진 ΛCDM에 대해 를 보여주었다. 첫 해 데이터의 다른 우주론적 분석은 약한 중력렌즈 광원으로 사용된 은하의 적색편이 분포 추정치와 그 불확실성 도출 및 검증을 보여주었다. DES 팀은 또한 첫 해 데이터의 우주론을 위한 모든 측광 데이터 세트를 요약한 논문을 발표했다.

DES가 수집한 셋째 해 데이터에서 새로운 우주 전단 측정값을 사용하여 ΛCDM 모델에 대한 우주론적 제약 조건을 로 업데이트했다. 셋째 해의 은하 클러스터링과 약한 중력렌즈 효과 결과로부터 DES는 ΛCDM에서 68% 신뢰 수준에서 및 로 우주론적 제약을 업데이트했으며, 에서 68% 신뢰 수준에서 , 및 이다. 마찬가지로, DES 팀은 우주론을 위한 세 번째 연간 측광 데이터 세트 관측 결과를 발표했는데, 이는 남쪽 은하 극에서 거의 5000 deg2의 이미지를 포함하며, 거의 3억 9천만 개의 객체를 포함하고 있다. 이 데이터는 ~ 23.0까지의 확장된 객체에 대해 S/N ~ 10에 도달하는 깊이를 가지며, 대기 상층부의 측광 균일성은 3mmag 미만이다.

 약한 중력렌즈 효과 

섬네일|관측된 은하들의 전경에 투영된 약한 중력렌즈 데이터 세트를 사용한 DES의 2021년 암흑 물질 지도

약한 중력렌즈 효과는 전단-전단 상관 함수인 2점 함수 또는 그 푸리에 변환인 전단 파워 스펙트럼을 측정하여 통계적으로 측정되었다. 2015년 4월, 암흑 에너지 탐사는 2012년 8월부터 2013년 2월까지의 과학 검증 데이터에서 약 2백만 개 은하의 우주 전단 측정값을 사용하여 질량 지도를 공개했다. 2021년에는 약한 중력렌즈 효과를 사용하여 남반구 하늘의 한 지역에 있는 암흑 물질을 매핑했으며, 2022년에는 은하 클러스터링 데이터와 함께 새로운 우주론적 제약을 제공했다. 그리고 2023년에는 플랑크 망원경과 남극 망원경의 데이터와 함께 새로운 개선된 제약을 제공했다.

약한 중력렌즈 효과의 또 다른 큰 부분은 근원 은하의 적색편이를 보정하는 것이다. 2020년 12월과 2021년 6월에 DES 팀은 중력렌즈 효과를 통해 물질 밀도장을 매핑하기 위해 약한 중력렌즈 효과를 사용하여 근원 은하의 적색편이를 보정하는 결과에 대한 두 편의 논문을 발표했다.

 중력파 
LIGO가 GW170817에서 첫 중력파 신호를 감지한 후, DES는 DECam을 사용하여 GW170817에 대한 후속 관측을 수행했다. DECam의 독립적인 광학원 발견으로 DES 팀은 사건 위치 영역 내에서 발견된 다른 1500개의 원천 중 어느 것도 해당 사건과 관련될 수 없음을 보여줌으로써 GW170817과의 연관성을 확립했다. DES 팀은 2주 이상 광학원을 모니터링하고 광곡선 데이터를 기계 판독 가능한 파일로 제공했다. 관측 데이터 세트로부터 DES는 NGC 4993 근처에서 확인된 광학적 상대 천체가 GW170817과 관련되어 있다고 결론지었다. 이 발견은 중력파를 이용한 다중 메신저 천문학 시대를 열었으며, 중력파 원천의 광학적 상대 천체를 식별하는 DECam의 위력을 입증했다.

 왜소은하 
섬네일|DES가 촬영한 나선은하 NGC 895
2015년 3월, 두 팀은 1차 연도 DES 데이터에서 발견된 몇몇 새로운 잠재적 왜소은하 후보들을 발표했다. 2015년 8월, 암흑 에너지 탐사 팀은 2차 연도 DES 데이터에서 8개의 추가 후보를 발견했다고 발표했다. 이후 암흑 에너지 탐사 팀은 더 많은 왜소은하를 발견했다. 더 많은 왜소은하 연구 결과를 통해 팀은 발견된 왜소은하의 화학적 풍부도, 항성 개체군의 구조, 항성 운동학 및 금속함량 등 더 많은 속성에 대해 심층적으로 조사할 수 있었다. 2019년 2월, 팀은 또한 화로자리 왜소은하에서 여섯 번째 성단과 조석적으로 붕괴된 초희미 왜소은하를 발견했다.

 중입자 음향 진동 
중입자 음향 진동 (BAO)의 특징은 물질 밀도장의 추적자 분포에서 관측될 수 있으며, 우주의 팽창 역사를 측정하는 데 사용될 수 있다. BAO는 순수하게 측광 데이터만을 사용해서도 측정할 수 있지만, 유의미성은 낮다. DES 팀의 관측 샘플은 4100 deg2의 영역에 분포된 700만 개의 은하로 구성되어 있으며, 의 범위와 0.03(1+z)의 일반적인 적색편이 불확실성을 가진다. 이들의 통계에 따르면, 각도 상관 관계와 구면 조화 함수에서 파생된 가능성을 결합하여 드래그 시대의 음향 지평선 규모에 대한 유효 적색편이 에서의 동행 시직경 거리 의 비율을 제한한다.
섬네일|G299.2-2.9 초신성 잔해

 Ia형 초신성 관측 
2019년 5월, 암흑 에너지 탐사 팀은 Ia형 초신성을 이용한 첫 번째 우주론 연구 결과를 발표했다. 초신성 데이터는 DES-SN3YR에서 가져온 것이다. 암흑 에너지 탐사 팀은 평탄한 ΛCDM 모델에서 Ωm = 0.331 ± 0.038을, 평탄한 모델에서 Ωm = 0.321 ± 0.018, w = −0.978 ± 0.059를 발견했다. DES-SN3YR의 동일한 데이터를 분석하여, 그들은 또한 새로운 현재의 허블 상수 를 발견했다. 이 결과는 2018년 플랑크 위성 협력단이 측정한 허블 상수와 매우 잘 일치한다. 2019년 6월, DES 팀은 초신성을 이용한 우주론 연구 결과의 체계적 불확실성과 검증에 대해 논의하는 후속 논문을 발표했다. 팀은 같은 달에 발표된 또 다른 논문에서 측광 파이프라인과 광곡선 데이터도 공개했다.

 소행성 
암흑 에너지 탐사 과정에서 DECam에 의해 고경사각 해왕성 바깥 천체(TNO)를 포함한 여러 소행성이 발견되었다.

MPC는 DECam의 작은 태양계 천체 관측에 IAU 코드 W84를 부여했다. 2019년 10월 현재, MPC는 9개의 번호가 매겨진 소행성(모두 해왕성 바깥 천체)의 발견을 "DECam" 또는 "암흑 에너지 탐사"로 일관성 없이 기록하고 있다. 이 목록에는 DECam이 잠재적으로 발견했지만 아직 번호가 매겨지지 않은 소행성은 포함되어 있지 않다. 발견 기록은 천체의 번호가 부여된 후에만 이루어지며, 이는 충분히 신뢰할 수 있는 궤도 결정에 따라 달라진다.

 갤러리 

 같이 보기 

 우주 진화 탐사
 암흑 에너지 분광기 (DESI)

 각주 
 

 외부 링크 
 Dark Energy Survey 웹사이트
 Dark Energy Survey 과학 프로그램 (PDF)
 Dark Energy Survey 데이터 관리
 Dark Energy Camera (DECam) 
 

분류:천문 측량
분류:암흑 에너지