Keck Cosmic Web Imager sender fra Caltech til Keck Observatory

Et instrument designet til at afbilde det enorme net af gas, der forbinder galakser i universet, er blevet sendt fra Los Angeles til Hawaii, hvor det vil blive integreret i W. M. Keck Observatory.

Instrumentet, kaldet Keck Cosmic Web Imager, eller KCWI, blev designet og bygget af et team på Caltech ledet af professor i fysik Christopher Martin. Det vil være et af de bedste instrumenter i verden til at tage spektrale billeder af kosmiske objekter - detaljerede billeder, hvor hver pixel kan ses i alle bølgelængder af synligt lys. Sådan højopløselig spektral information vil gøre det muligt for astronomer at studere sammensætningerne, hastigheder, og masser af mange genstande, såsom stjerner og galakser, på måder, der ikke var mulige før.

Et af KCWIs hovedmål, og Martins passion gennem de sidste 30 år, er at besvare spørgsmålet:Hvad laver gassen omkring galakser?

"I årtier, astronomer har vist, at galakser udvikler sig. Nu prøver vi at finde ud af hvordan og hvorfor, " siger Martin. "Vi ved, at gassen omkring galakser i sidste ende giver dem næring, men det er så svagt - vi har stadig ikke været i stand til at se nærmere på det og forstå, hvordan denne proces fungerer."

Martin og hans team studerer det, der kaldes det kosmiske web - et stort netværk af gasstrømme mellem galakser. For nylig, forskerne har fundet beviser, der understøtter det, der kaldes koldstrømsmodellen, hvor denne gas tragter ind i galaksernes kerner, hvor det kondenserer og danner nye stjerner. Forskere havde forudsagt, at gasfilamenterne først ville strømme ind i en stor ringlignende struktur omkring galaksen, før de spiralerede ind i den - præcis hvad Martin og hans team fandt ved hjælp af Palomar Cosmic Web Imager, en forløber for KCWI, ved Caltechs Palomar Observatory nær San Diego.

"Vi målte kinematik, eller bevægelse, af gassen omkring en galakse og fandt en meget stor roterende skive forbundet til en gasfilament, " siger Martin. "Det var den rygende pistol til cold flow-modellen."

med KCWI, forskerne vil se nærmere på gasfilamenterne og ringlignende strukturer omkring galakser, der spænder fra 10 til 12 milliarder lysår væk, en æra, hvor vores univers var omkring 2 til 4 milliarder år gammelt. Ikke alene kan KCWI tage mere detaljerede billeder end Palomar Cosmic Web Imager, det har andre fremskridt såsom bedre spejlbelægninger. Kombinationen af ​​disse forbedringer med det faktum, at KCWI bliver installeret ved et af de to 10-meter Keck-teleskoper – verdens største observatorium med nogle af de mørkeste kendte himmelstrøg på Jorden – betyder, at KCWI vil have en forbedret ydeevne med mere end en størrelsesorden over Palomar Cosmic Web Imager.

KCWI vil kortlægge den gas, der strømmer fra det intergalaktiske medium - rummet mellem galakser - ind i mange unge galakser, afslørende, for første gang, den dominerende form for galaksedannelse i det tidlige univers. Instrumentet vil også søge efter supergalaktiske vinde fra galakser, der driver gas tilbage i det intergalaktiske medium. Hvordan gas strømmer ind og ud af dannende galakser er det centrale åbne spørgsmål i dannelsen af ​​kosmiske strukturer.

"Vi designede KCWI til at studere meget dunkle og diffuse objekter, vores hovedvægt er på det tjuskede kosmiske web og galaksernes interaktion med deres omgivelser, " siger Mateusz (Matt) Matuszewski, instrumentforskeren for projektet.

KCWI er også designet til at være mere et instrument til generelle formål end Palomar's Cosmic Web Imager, som hovedsageligt er til studier af det kosmiske web. Den vil studere alt fra gasstråler omkring unge stjerner til døde stjerners vinde og supermassive sorte huller og meget mere. "Instrumentet er virkelig alsidigt, " siger Matuszewski. "Observatører kan konfigurere optikken til at justere de rumlige og spektrale skalaer og opløsninger, så de passer til deres interesser."

Møtrikker og bolte fra KCWI

Forskere og ingeniører har haft travlt med at samle de meget komplekse elementer i KCWI-instrumentet hos Caltech siden 2012. Instrumentet er omtrent på størrelse med en isbil og vejer over 4, 000 kg. Kerneegenskaben ved KCWI er dens evne til at fange spektral information om objekter, såsom galakser, på tværs af et bredt billede. Typisk, astronomer fanger spektre ved hjælp af instrumenter kaldet spektrografer, som har smalle spalteformede vinduer. Spektrografen adskiller lyset fra spalten i hver af de farver, der udgør målobjektet, ligesom et prisme, der spreder lys ind i en regnbue. Men traditionelle spektrografer kan ikke bruges til at fange spektral information på tværs af et helt billede.

"Traditionelle spektrografer bruger flere små spalter til at fange mange stjerner eller kernerne i mange galakser, " siger Martin. "Nu, vi ønsker at se på funktioner, der strækker sig hen over himlen, såsom stjernestråler og galakser, som har komplekse strukturer, hastigheder, og gasstrømme. Hvis du kun kan se gennem en spalte, du kan kun se en lille del af, hvad der foregår. Men vi vil gerne se hele billedet. Det er derfor, vi har brug for en billeddannende spektrograf, en enhed, der giver dig et billede for hver enkelt bølgelængde over en bred visning."

For at skabe en spektrograf, der kan afbilde mere udvidede objekter som galakser, KCWI bruger det, der kaldes et integreret feltdesign, som grundlæggende deler et billede op i 24 slidser, og samler al spektral information på én gang.

"Hvis du ser på noget stort på himlen, det er ineffektivt bare at have en spalte og træde dig hen over det objekt, så en integreret feltspektrograf kombinerer et antal spalteformede spejle sammen på tværs af et kontinuerligt synsfelt, " siger Patrick Morrissey, projektforskeren for KCWI, som nu arbejder på JPL. "Forestil dig at se ind i et knækket spejl - det reflekterede billede flyttes rundt afhængigt af vinklerne på stykkerne. Sådan fungerer den integrerede feltspektrograf. En række spejle arbejder sammen for at få en firkantet stak af spalter på tværs af et billede til at fremstå som en enkelt traditionel lodret spalte."

KCWI har den højeste spektrale opløsning af enhver integral feltspektrograf, hvilket betyder, at den bedre kan bryde lysets regnbue ad for at se flere farver, eller bølgelængder. Den første fase af instrumentet, nu på vej til Keck, dækker den blå side af det synlige spektrum, spænder bølgelængder fra 3500 til 5600 Ångstrøm. En anden fase, udvide dækningen til den røde side af spektret, ud til 10400 Ångstrøm, vil blive bygget næste gang.

KCWI skal bestige Mauna Kea

Efter KCWI ankommer til Hawaii den 18. januar, ingeniører vil guide den op til toppen af ​​Mauna Kea, hvor Keck ligger. Der er planlagt en række checkout- og tilpasningstests, og vil om et par måneder blive fulgt op af de første observationer gennem Keck-teleskopet.

"Der er togskinner rundt om teleskopet, hvor instrumenterne er installeret, " siger Morrissey. "Det er ligesom et af de gamle jernbanehuse, hvor toget ville komme ind, og de ville dreje det til et ledigt rum til opbevaring. Teleskopet drejer rundt, peger på det instrument, som astronomen vil bruge, og så ruller de det instrument videre. Snart bliver KCWI en del af teleskopet."

KCWI er finansieret af National Science Foundation, gennem programmet Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), og af Heising-Simons Foundation, W.M. Keck Foundation, Caltech-afdelingen for fysik, Matematik og Astronomi, og Caltech Optical Observatories.