5000 øjne på himlen:Forskere koreograferer robotter for at observere fjerne galakser

Siden 2005 har videnskabsmænd har scannet nattehimlen for at skabe et tredimensionelt kort over vores univers med det formål at kaste lys over et af fysikkens største mysterier:mørk energis og mørkt stofs natur og identitet. Denne indsats er ved at få en massiv opgradering med den vellykkede installation og test af Dark Energy Spectroscopic Instrument, eller DESI.

Forskere installerede for nylig DESI ved Kitt Peak National Observatory i Arizona. Enheden har 5, 000 optiske fibre, hver enkelt designet til at indsamle lys fra en enkelt galakse. DESI gør det muligt for forskere at indsamle 20 gange mere data end tidligere undersøgelser.

Et tidligere instrument på et andet teleskop, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey-instrumentet, krævede samarbejdspartnere til at bore 1, 000 huller i store metalplader, der holdt fibre i en konfiguration, der nøjagtigt matchede positionen af ​​kendte galakser på en lille del af nattehimlen. Hver gang videnskabsmænd ønskede at afbilde nye galakser, en ny plade skulle bores og fibrene indsættes i hånden.

med DESI, forskere har henvist det opslidende arbejde med at udpege galakseplaceringer til en bikube på 5, 000 robotblyantformede rør. Positioneringsanordningerne har en præcision på flere mikrometer - omkring en tiendedel af bredden af ​​et menneskehår - og er i stand til at bevæge sig på egen hånd for at fokusere på fjerne galakser.

De billeder, de tager, er ikke almindelige fotografier. Forskere er i stedet interesserede i, hvilken type lys galakserne udsender. Alle galakser er i bevægelse, for det meste bevæger sig væk fra hinanden på grund af universets udvidelse. Og lyset fra dem, der bevæger sig væk fra os, strækkes ind i den lave frekvens, rød del af spektret, på samme måde som lydbølger fra en sirene strækkes, når en ambulance kører forbi dig.

Forskere kan bruge disse rødforskudte signaler til at skabe et tredimensionelt kort over vores univers, der strækker sig 11 milliarder år tilbage i dets begyndende fortid. Ved at analysere fordelingen af ​​galakser gennem rum og tid, Forskere kan derefter drage slutninger om naturen af ​​det ukendte mørke stof, der trækker galakser sammen, og mørk energis natur. som skubber dem fra hinanden.

Forskere afsluttede den første testrunde på robotpositioneringsanordningerne i november sidste år.

"Jeg var glad for at se, at positioneringsanordninger flyttede til, hvor vi bad dem gå, da vi tændte for instrumentet, " sagde Stephen Kent, en videnskabsmand ved Energiministeriets Fermilab. "Med et så komplekst system, du ved aldrig, hvor du kan løbe ind i problemer."

En anden milepæl blev opnået i januar, da positioneringsanordningerne præcist pegede på over 2, 000 stjerner på samme tid.

"Det var det øjeblik, vi kunne begynde at arbejde med videnskab, ikke kun teknik, " sagde Kent.

I denne testfase, forskere implementerede en softwarepakke kaldet Platemaker, som er designet af Kent og videnskabsmanden Eric Neilsen ved Fermilab.

Softwaren er en nøglespiller i at koreografere bevægelsen af ​​alle 5, 000 robotpositioner samtidigt, især da positionstagerne nogle gange kan komme i vejen for hinanden.

"Som en designbeslutning for instrumentet fra begyndelsen, vi tillader robotterne at nå ind i hinandens patruljezoner, sagde Joseph Silber, en ingeniør ved Lawrence Berkeley National Laboratory og ledende ingeniør på fokusplanet. "Det betyder, at de kan kollidere, og det burde de ikke."

Siden da, Kent og hans team har finjusteret koden i Platemaker for at forbedre den nøjagtighed, som positionerne kan lokaliseres til.

Softwaren guider robotpositioneringsorganerne i en flertrinsproces for at lokalisere galakser. Først, brændplanet - en stor metallisk struktur, der holder positionerne på plads - skal pege på den helt rigtige del af himlen. Ligesom gamle maritime navigatører ville bruge stjernernes position til at lede deres vej, 10 højopløsningskameraer indlejret i brændplanet fanger og analyserer lys fra stjerner, som giver forskere mulighed for at orientere teleskopet.

Disse bevægelser for at placere brændplanet skal være utroligt præcise, for at hver fiber kan modtage det mest lys, den kan fra sin tildelte galakse. Skubbet endda lidt væk fra målet, og fiberen vil kun være delvist fyldt med sin galakses lys. Men når den er placeret som designet, hver fiber vil blive fyldt fuldstændigt med lyset fra sin galakse, med minimal baggrund.

Når først teleskopet peger i den rigtige retning, robotpositionerne begynder en indviklet mekanisk vals, kigger dybt op i himlen for at opdage lyskilder, der er alt for svage til, at menneskelige øjne kan se.

Deres høje grad af præcision får dem det meste af vejen til den ønskede galakse, men vinklen kan stadig være lidt for nogle. For at få dem resten af ​​vejen, DESI har et CCD-kamera installeret ved teleskopets primære spejl, som kigger op i brændplanet. Forskere bruger en indbygget lyskilde til at belyse fibrene, der er indlejret i robotpositioneringsanordningerne. Fibrene projicerer de resulterende små lyspunkter til CCD-kameraet, som så afbilder dem. Platemaker-softwaren sammenligner positionerne af fibrene i billederne med, hvor de faktisk skal peges på, baseret på detaljerede stjernekort fra tidligere undersøgelser.

Softwaren beregner derefter, hvor langt hver positioner er fra det ønskede mål, hvorefter et andet system kan flytte den resten af ​​vejen mod sin udpegede galakse.

"Det er en meget kompliceret modelleringsproces, som har taget os et par år at finde ud af, " sagde Kent.

Med det hårdeste arbejde nu fuldført, forskere, som i øjeblikket fjernarbejder, planlægger at afslutte testningen af ​​softwaren, når de vender tilbage til stedet.

DESI er planlagt til at fungere i i alt fem år, i løbet af hvilken tid vil den måle rødforskydningerne af over 30 millioner galakser og kvasarer - en type massivt sort hul. Forskere kan derefter bruge disse oplysninger til at bestemme, om og hvordan koncentrationen af ​​mørk energi har ændret sig gennem hele vores univers' historie.