Een instrument dat is ontworpen om het enorme web van gas dat sterrenstelsels in het universum met elkaar verbindt, in beeld te brengen, is van Los Angeles naar Hawaï verscheept. waar het zal worden geïntegreerd in het WM Keck Observatory.

Het instrument, genaamd de Keck Cosmic Web Imager, of KCWI, is ontworpen en gebouwd door een team van Caltech onder leiding van professor in de natuurkunde Christopher Martin. Het zal een van de beste instrumenten ter wereld zijn voor het maken van spectrale beelden van kosmische objecten - gedetailleerde beelden waarbij elke pixel kan worden bekeken in alle golflengten van zichtbaar licht. Dergelijke spectrale informatie met een hoge resolutie stelt astronomen in staat om de composities te bestuderen, snelheden, en massa's van vele objecten, zoals sterren en sterrenstelsels, op manieren die voorheen niet mogelijk waren.

Een van de belangrijkste doelen van het KCWI, en een passie van Martin's voor de afgelopen 30 jaar, is om de vraag te beantwoorden:wat doet het gas rond sterrenstelsels?

"Al decenia, astronomen hebben aangetoond dat sterrenstelsels evolueren. Nu proberen we erachter te komen hoe en waarom, " zegt Martin. "We weten dat het gas rond sterrenstelsels ze uiteindelijk van brandstof voorziet, maar het is zo zwak - we hebben het nog steeds niet van dichtbij kunnen bekijken en begrijpen hoe dit proces werkt."

Martin en zijn team bestuderen wat het kosmische web wordt genoemd - een enorm netwerk van gasstromen tussen sterrenstelsels. Onlangs, de wetenschappers hebben bewijs gevonden ter ondersteuning van wat het koude stromingsmodel wordt genoemd, waarin dit gas naar de kernen van sterrenstelsels stroomt, waar het condenseert en nieuwe sterren vormt. Onderzoekers hadden voorspeld dat de gasfilamenten eerst in een grote ringachtige structuur rond de melkweg zouden stromen voordat ze erin zouden spiraliseren - precies wat Martin en zijn team ontdekten met behulp van de Palomar Cosmic Web Imager, een voorloper van KCWI, bij Caltech's Palomar Observatory in de buurt van San Diego.

"We hebben de kinematica gemeten, of beweging, van het gas rond een melkwegstelsel en vond een zeer grote roterende schijf verbonden met een gasfilament, "zegt Martin. "Het was de smoking gun voor het coldflow-model."

Met KCWI, de onderzoekers zullen de gasfilamenten en ringachtige structuren rond sterrenstelsels op een afstand van 10 tot 12 miljard lichtjaar nader bekijken, een tijdperk waarin ons universum ongeveer 2 tot 4 miljard jaar oud was. KCWI kan niet alleen meer gedetailleerde foto's maken dan de Palomar Cosmic Web Imager, het heeft andere voordelen, zoals betere spiegelcoatings. De combinatie van deze verbeteringen met het feit dat KCWI wordt geïnstalleerd bij een van de dubbele 10-meter Keck-telescopen - 's werelds grootste observatorium met enkele van de donkerste bekende luchten op aarde - betekent dat KCWI een verbeterde prestatie zal hebben met meer dan een orde van grootte boven de Palomar Cosmic Web Imager.

KCWI zal het gas dat uit het intergalactische medium stroomt - de ruimte tussen sterrenstelsels - in kaart brengen in veel jonge sterrenstelsels, onthullend, Voor de eerste keer, de dominante wijze van melkwegvorming in het vroege heelal. Het instrument zal ook zoeken naar supergalactische winden van sterrenstelsels die gas terug in het intergalactische medium drijven. Hoe gas in en uit het vormen van sterrenstelsels stroomt, is de centrale open vraag bij de vorming van kosmische structuren.

"We hebben KCWI ontworpen om zeer vage en diffuse objecten te bestuderen, onze nadruk ligt vooral op het piekerige kosmische web en de interacties van sterrenstelsels met hun omgeving, " zegt Mateusz (Matt) Matuszewski, de instrumentwetenschapper voor het project.

KCWI is ook ontworpen om meer een instrument voor algemene doeleinden te zijn dan de Cosmic Web Imager van Palomar, die voornamelijk voor studies van het kosmische web is. Het zal alles bestuderen, van gasstralen rond jonge sterren tot de winden van dode sterren en superzware zwarte gaten en meer. "Het instrument is echt veelzijdig, ", zegt Matuszewski. "Waarnemers kunnen de optica configureren om de ruimtelijke en spectrale schalen en resoluties aan te passen aan hun interesses."

De moeren en bouten van KCWI

Wetenschappers en ingenieurs zijn sinds 2012 bezig met het assembleren van de zeer complexe elementen van het KCWI-instrument bij Caltech. Het instrument is ongeveer zo groot als een ijscowagen en weegt meer dan 4, 000 kilo. Het belangrijkste kenmerk van KCWI is het vermogen om spectrale informatie over objecten vast te leggen, zoals sterrenstelsels, over een breed beeld. Typisch, astronomen leggen spectra vast met instrumenten die spectrografen worden genoemd, die smalle spleetvormige vensters hebben. De spectrograaf verdeelt het licht uit de spleet in elk van de kleuren waaruit het doelobject bestaat, net als een prisma dat licht in een regenboog verspreidt. Maar traditionele spectrografen kunnen niet worden gebruikt om spectrale informatie over een hele afbeelding vast te leggen.

"Traditionele spectrografen gebruiken meerdere kleine spleten om veel sterren of de kernen van veel sterrenstelsels vast te leggen, "zegt Martin. "Nu, we willen kijken naar kenmerken die zich over de hemel uitstrekken, zoals stellaire jets en sterrenstelsels, die complexe structuren hebben, snelheden, en gasstromen. Als je alleen door een spleet kunt kijken, je kunt maar een klein deel zien van wat er aan de hand is. Maar we willen het hele plaatje zien. Daarom hebben we een beeldspectrograaf nodig, een apparaat dat je een beeld geeft voor elke afzonderlijke golflengte over een breed gezichtsveld."

Om een ​​spectrograaf te maken die meer uitgebreide objecten zoals sterrenstelsels kan afbeelden, KCWI maakt gebruik van een zogenaamd integraal veldontwerp, die een afbeelding in feite in 24 spleten verdeelt, en verzamelt alle spectrale informatie in één keer.

"Als je naar iets groots in de lucht kijkt, het is inefficiënt om slechts één spleet te hebben en je een weg te banen over dat object, dus een integrale veldspectrograaf combineert een aantal spleetvormige spiegels samen over een continu gezichtsveld, " zegt Patrick Morrissey, de projectwetenschapper voor KCWI die nu bij JPL werkt. "Stel je voor dat je in een gebroken spiegel kijkt - het gereflecteerde beeld wordt verschoven, afhankelijk van de hoeken van de stukken. Dit is hoe de integrale veldspectrograaf werkt. Een reeks spiegels werkt samen om een ​​vierkante stapel spleten over een afbeelding te laten verschijnen als een enkele traditionele verticale spleet."

KCWI heeft de hoogste spectrale resolutie van alle integrale veldspectrografen, wat betekent dat het de regenboog van licht beter kan doorbreken om meer kleuren te zien, of golflengten. De eerste fase van het instrument, nu op weg naar Keck, bedekt de blauwe kant van het zichtbare spectrum, overspannende golflengte varieert van 3500 tot 5600 Angstrom. Een tweede fase, dekking uitbreiden naar de rode kant van het spectrum, uit tot 10400 Angstrom, wordt hierna gebouwd.

KCWI gaat Mauna Kea beklimmen

Nadat KCWI op 18 januari in Hawaï is aangekomen, ingenieurs zullen het naar de top van Mauna Kea leiden, waar Keck is neergestreken. Er is een reeks kassa- en uitlijntesten gepland, en zullen over enkele maanden gevolgd worden door de eerste waarnemingen door de Keck-telescoop.

"Er zijn treinsporen rond de telescoop waar de instrumenten zijn geïnstalleerd, "zegt Morrissey. "Het is net een van die oude spoorweg-ronde-huizen waar de trein zou binnenkomen en ze zouden het naar een beschikbare ruimte voor opslag draaien. De telescoop draait zich om, wijst naar het instrument dat de astronoom wil gebruiken, en dan rollen ze dat instrument op. Binnenkort wordt KCWI onderdeel van de telescoop."

KCWI wordt gefinancierd door de National Science Foundation, via het programma Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), en door de Heising-Simons Foundation, de WM Stichting Keck, de Caltech-divisie voor natuurkunde, Wiskunde en Sterrenkunde, en de Caltech optische observatoria.