Het spectroscopische instrument voor donkere energie, genaamd DESI, heeft een ambitieus doel:meer dan 35 miljoen sterrenstelsels aan de nachtelijke hemel scannen om de uitdijing van ons heelal en de groei van zijn grootschalige structuur in de afgelopen 10 miljard jaar te volgen. Met DESI, een project onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory, hopen wetenschappers een 3D-kaart te maken van een derde van de nachtelijke hemel die nauwkeuriger en preciezer is dan alle andere.

Een nauwkeurige kaart vereist dat DESI zelf met micrometerprecisie wordt gebouwd en geassembleerd. Fermilab, een nationaal laboratorium van het ministerie van Energie, draagt ​​een belangrijk onderdeel van het instrument bij:een grote, tonvormig apparaat dat optische lenzen bevat om het licht van miljoenen verre sterrenstelsels te verzamelen. De kleinste afwijking in lensuitlijning kan ertoe leiden dat het instrument permanent onscherp is. Elk stuk van het vat moet perfect worden geplaatst, daarom neemt het Fermilab-team momenteel alle maatregelen om de precieze montage te garanderen.

Het proces omvat een speciale machine, zorgvuldige behandeling en een gezonde dosis geduld.

Precisie montage

Het lenshoudende apparaat is een ongeveer 8 voet lange en 4 voet brede gesegmenteerde cilinder - ongeveer zo groot als een kleine lift. Zodra de kolossale stalen loop is voltooid, het zal worden geïnstalleerd bij de Mayall vier meter telescoop op het Kitt Peak National Observatory, ten zuidwesten van Tucson, Arizona.

De lenzen vangen het licht op dat door de spiegel van de telescoop wordt gereflecteerd en richten het in 5, 000 optische vezels, waardoor het licht naar speciale detectoren wordt getransporteerd, spectrografen genoemd. Met behulp van 10 van dergelijke spectrografen, wetenschappers kunnen de afstand van de sterrenstelsels meten.

In mei, een team van specialisten bij Fermilab begon de vijf segmenten van het vat zorgvuldig te monteren, controleren of elke moer en bout perfect was geplaatst. Maar een pasvorm op moeren-en-bouten-niveau is niet genoeg. Om de precisie te bereiken waar wetenschappers naar streven, het DESI-vat en zijn binnenstructuur moeten nauwkeurig worden geassembleerd tot op een ongelooflijk strakke 20 micrometer. Dat is een tiende van de dikte van een vel papier.

Om de vereiste pasvorm te bereiken, het team heeft kleine, kritische aanpassingen aan het geassembleerde vat.

Nauwkeurige uitlijning

De tonaanpassingen vinden plaats in een lege ruimte ter grootte van een kleine slaapkamer. Op de hoeken van de ruimte staan ​​vier hoge pilaren van bijna twee meter hoog.

Boven hun hoofden, een spoor, vergelijkbaar met treinsporen, verbindt de toppen van de twee pilaren aan één kant. Een tweede spoor verbindt de andere twee. Een beweegbare wagenbaan overspant de opening - zoals een hoge brug een rivier overspant - en verbindt de twee rails. De wagen zelf glijdt langs de baan.

Het team begeleidt de koets zodat deze net boven de loop stopt. De wagen draagt ​​een mechanische arm die naar de vloer wijst. Het kan in alle richtingen draaien in de ruimte binnen de pilaren. Aan het uiteinde van de arm zit een zeer gevoelige en nauwkeurige sensor, bevestigd aan een scharnierende gemotoriseerde sonde.

De arm met de sensor komt tot leven:hij reikt tot aan de loop en begint de oppervlakken te voelen. Het zoekt naar specifieke punten op de loop - een hoek, een rand, een andere belangrijke oppervlaktemarkering. Als hij ze vindt, het meet de coördinaten in de aangewezen ruimte. Heel voorzichtig en met kleine bewegingen, het beweegt over het hele oppervlak van het vat, opmeten, naar beneden en rond het oppervlak. Zoals het doet, het registreert de meetgegevens en slaat deze op voor verdere analyse. Jorge Montes, een van de teamleden, plaatst strategisch markeringen op het oppervlak van de loop om hun uitlijningsinspanningen te ondersteunen.

Na het uitvoeren van de meting, de wetenschappers brengen het vat terug naar een buitengebied. Daar demonteren ze het, lijn alle onderdelen opnieuw uit, vertrouwen op de eerder geplaatste markeringen. Die zetten ze dan weer in elkaar. Met grote zorg brengen ze het weer volledig gemonteerde vat in de lege ruimte en meten opnieuw de precisie van hun montage.

Door hun prestaties te vergelijken met hun vorige assemblage, ze leren welke stukken, indien van toepassing, zijn niet goed uitgelijnd - zelfs een beetje - en waar ze de uitlijning hebben verbeterd.

Een magische machine

De precieze, langzaam bewegende meetmachine die de verkeerde uitlijning aangeeft, wordt een coördinatenmeetmachine genoemd, of CMM. De groep die deze puntsgewijze metingen uitvoert, onder leiding van Fermilab technisch fysicus Michael Roman, gebruikt het om de perfecte montage van het DESI-vat te garanderen.

Met de hulp van de CMM, ze herhalen de hele procedure van montage, steeds opnieuw meten en demonteren, altijd hun prestaties vergelijken met eerdere pogingen. Wanneer ze hun uitlijning binnen 10 micrometer bereiken - ongeveer een tiende van de breedte van een mensenhaar - in een bepaald aantal pogingen, ze zijn tevreden.

"Vanaf het begin wisten we dat het vat zeer nauwkeurige metingen nodig had voor de assemblage en dat het te groot zou zijn voor een van de CMM's bij Fermilab om dergelijke metingen uit te voeren, ' zei Romein.

"In krachtige steun van DESI, Fermilab kocht een machine voor de speciale metingen op het vat, " zei wetenschapper Gaston Gutierrez, die een van de DESI-projectleiders is bij Fermilab.

Stabiel en stabiel

Om ervoor te zorgen dat de metingen van de CMM zo nauwkeurig zijn als nodig is, de CMM is opgesteld in een ruimte met airconditioning, waar wetenschappers 24 uur per dag de temperatuur bewaken en regelen. Materialen zetten uit als ze warm worden, die de nauwkeurigheid van de CMM-metingen beïnvloeden.

Dus hebben wetenschappers de juiste regelinstellingen voor het omgevingscontrolesysteem uitgewerkt om ervoor te zorgen dat de temperatuur nooit meer dan één graad van 20 graden Celsius varieert.

Zelfs het uiteindelijke effect van zware gewichten op het DESI-vat, inclusief de lenzen, kan worden gemeten met de nieuwe CMM. Wetenschappers plaatsen het DESI-vat in de machine en meten het, voeg vervolgens testgewichten toe aan de zijkanten en meet de loop opnieuw. Het team kan zien hoe de loop krimpt of buigt, als al, en bepaal of de lenzen stabiel blijven wanneer de telescoop in beweging is.

Het Fermilab-team verwacht begin 2017 alle CMM-metingen af ​​te ronden. Daarna zullen ze het DESI-vat demonteren en naar het University College London sturen. In Londen, hun collega's installeren de lenzen in de draagconstructies. Zodra de lenzen zijn geïnstalleerd, het vat begint zijn reis naar zijn toekomstige huis in Arizona.

De uitdijing van het heelal meten

Wetenschappers hebben ontdekt dat ons universum steeds groter wordt - zonder enig einde in zicht. Als rozijnen in een rijzend brood, de sterrenstelsels van het heelal worden uit elkaar geduwd.

Uit eerdere metingen, wetenschappers hebben een soort kosmische heerser, een standaardlengte die teruggaat tot het vroege begin van het universum. Door deze liniaal samen met de uiterst nauwkeurige DESI-kaart te gebruiken, wetenschappers zullen kunnen vertellen hoe ver sterrenstelsels van elkaar verwijderd zijn en hoeveel ons universum in de loop van de geschiedenis is gegroeid.

"Met het DESI-experiment, we willen de groeiende stappen van ons universum volgen, " Zei Gutierrez. "We beginnen vanaf vandaag en gaan terug in de tijd om te meten hoeveel het universum sinds zijn vroege dagen is uitgebreid.

de fabricage, assemblage en werking van DESI zijn kleine maar zeer belangrijke stappen om het universum precies te begrijpen.