Sinds 2005, wetenschappers hebben de nachtelijke hemel gescand om een ​​driedimensionale kaart van ons universum te maken met als doel licht te werpen op een van de grootste mysteries in de natuurkunde:de aard en identiteit van donkere energie en donkere materie. Die inspanning staat op het punt een enorme upgrade te krijgen met de succesvolle installatie en testen van het Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI.

Wetenschappers hebben onlangs DESI geïnstalleerd in het Kitt Peak National Observatory in Arizona. Het apparaat beschikt over 5, 000 optische vezels, elk ontworpen om licht van een enkel sterrenstelsel te verzamelen. DESI stelt wetenschappers in staat om 20 keer meer gegevens te verzamelen dan eerdere onderzoeken.

Een vorig instrument op een andere telescoop, het Baryon Oscillatie Spectroscopische Survey-instrument, vereiste medewerkers om 1 te boren, 000 gaten in grote metalen platen die vezels vasthielden in een configuratie die exact overeenkwam met de positie van bekende sterrenstelsels in een klein deel van de nachtelijke hemel. Elke keer dat wetenschappers nieuwe sterrenstelsels wilden afbeelden, er moest een nieuwe plaat worden geboord en de vezels moesten met de hand worden ingebracht.

Met DESI, onderzoekers hebben het slopende werk van het lokaliseren van locaties van sterrenstelsels gedegradeerd tot een bijenkorf van 5, 000 robotachtige potloodvormige buizen. De positioneerders hebben een precisie van enkele micrometers - ongeveer een tiende van de breedte van een mensenhaar - en kunnen zelfstandig bewegen om zich te concentreren op verre sterrenstelsels.

De beelden die ze maken zijn geen gewone foto's. Wetenschappers zijn in plaats daarvan geïnteresseerd in het soort licht dat de sterrenstelsels uitstralen. Alle sterrenstelsels zijn in beweging, meestal uit elkaar bewegen als gevolg van de uitdijing van het heelal. En het licht van degenen die van ons weggaan, wordt uitgerekt tot in de lage frequentie, rode deel van het spectrum, ongeveer op dezelfde manier als geluidsgolven van een sirene worden uitgerekt wanneer een ambulance langs je rijdt.

Wetenschappers kunnen deze roodverschoven signalen gebruiken om een ​​driedimensionale kaart van ons universum te maken die 11 miljard jaar teruggaat tot in zijn ontluikende verleden. Door de verdeling van sterrenstelsels door ruimte en tijd te analyseren, wetenschappers kunnen dan conclusies trekken over de aard van de onbekende donkere materie die sterrenstelsels samentrekt en die van donkere energie, die hen uit elkaar duwt.

Onderzoekers hebben afgelopen november de eerste testronde op de robotpositioneerders afgerond.

"Ik was blij om te zien dat positioneerders naar de plaats gingen waar we ze zeiden te gaan toen we het instrument aanzetten, " zei Stephen Kent, een wetenschapper bij het Fermilab van het Department of Energy. "Met een systeem dat zo complex is, je weet nooit waar je in de problemen kunt komen."

Een tweede mijlpaal werd bereikt in januari toen de klepstandstellers nauwkeurig op meer dan 2 werden gericht, 000 sterren tegelijk.

"Dat was het moment dat we aan de wetenschap konden beginnen, niet alleen techniek, ' zei Kent.

Tijdens deze testfase wordt onderzoekers implementeerden een softwarepakket genaamd Platemaker, die is ontworpen door Kent en wetenschapper Eric Neilsen bij Fermilab.

De software is een belangrijke speler in het choreograferen van de beweging van alle 5, 000 robotpositioneerders tegelijk, vooral omdat de klepstandstellers elkaar soms in de weg kunnen zitten.

"Als ontwerpbeslissing voor het instrument vanaf het begin, we laten de robots in elkaars patrouillezones reiken, " zei Joseph Silber, een ingenieur bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en hoofdingenieur op het brandvlak. "Dat betekent dat ze kunnen botsen, en dat mogen ze niet."

Vanaf dat moment, Kent en zijn team hebben de code in Platemaker verfijnd om de positionering nauwkeuriger te maken.

De software begeleidt de robotpositioners op een meerstaps proces om sterrenstelsels te lokaliseren. Eerst, het brandvlak - een grote metalen structuur die de klepstandstellers op hun plaats houdt - moet precies op het juiste deel van de lucht worden gericht. Net zoals oude zeevaarders de positie van de sterren zouden gebruiken om hun weg te wijzen, 10 camera's met hoge resolutie ingebed in het brandpuntsvlak vangen en analyseren licht van sterren, waarmee onderzoekers de telescoop kunnen oriënteren.

Deze bewegingen om het brandpuntsvlak te positioneren, moeten ongelooflijk nauwkeurig zijn voor elke vezel om het meeste licht te ontvangen dat het kan ontvangen van het toegewezen sterrenstelsel. Zelfs een beetje uit het doel geduwd, en de vezel zal slechts gedeeltelijk gevuld zijn met het licht van zijn melkwegstelsel. Maar wanneer gepositioneerd zoals ontworpen, elke vezel zal volledig gevuld zijn met het licht van zijn melkwegstelsel, met minimale achtergrond.

Zodra de telescoop in de goede richting is gericht, de robot-positioners beginnen een ingewikkelde mechanische wals, diep in de lucht turen om lichtbronnen te detecteren die veel te zwak zijn voor menselijke ogen om te zien.

Hun hoge mate van precisie brengt ze het grootste deel van de weg naar de gewenste melkweg, maar de hoek kan voor sommigen nog steeds een beetje afwijken. Om ze de rest van de weg te krijgen, DESI heeft een CCD-camera geïnstalleerd op de primaire spiegel van de telescoop, die omhoog kijkt naar het brandvlak. Onderzoekers gebruiken een ingebouwde lichtbron om de vezels te verlichten die zijn ingebed in de robotpositioners. De vezels projecteren de resulterende kleine lichtpuntjes naar de CCD-camera, die ze vervolgens in beeld brengt. De Platemaker-software vergelijkt de posities van de vezels in de afbeeldingen met waar ze eigenlijk zouden moeten wijzen op basis van gedetailleerde sterrenkaarten uit eerdere onderzoeken.

De software berekent vervolgens hoe ver elke klepstandsteller zich van het gewenste doel bevindt, waarna een ander systeem het de rest van de weg naar zijn aangewezen melkweg kan verplaatsen.

"Het is een heel ingewikkeld modelleringsproces, wat ons een paar jaar heeft gekost om erachter te komen, ' zei Kent.

Nu het zwaarste werk is voltooid, onderzoekers, die momenteel telewerken, zijn van plan om het testen van de software af te ronden wanneer ze terugkeren naar de site.

DESI zal in totaal vijf jaar operationeel zijn, gedurende die tijd zal het de roodverschuiving meten van meer dan 30 miljoen sterrenstelsels en quasars - een soort massief zwart gat. Wetenschappers kunnen deze informatie vervolgens gebruiken om te bepalen of en hoe de concentratie van donkere energie in de loop van de geschiedenis van ons universum is veranderd.