Løsning af mysteriet om mørk energi:En ny opgave til et 45 år gammelt teleskop

For femogfyrre år siden i denne måned, et teleskop gemt inde i en 14 etagers, 500 tons kuppel på toppen af ​​en kilometers høj top i Arizona indtog nattehimlen for første gang og registrerede dens observationer i fotografiske glasplader.

I dag, kuplen lukker på de tidligere videnskabelige kapitler af det 4-meter Nicholas U. Mayall-teleskop, så det kan forberede sig på sin nye rolle i at skabe det største 3-D-kort over universet. Dette kort kan hjælpe med at løse mysteriet med mørk energi, som driver den accelererende udvidelse af universet.

Den midlertidige lukning sætter gang i det største eftersyn i teleskopets historie og sætter scenen for installationen af ​​Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), som vil begynde et femårigt observationsløb næste år ved National Science Foundations Kitt Peak National Observatory (KPNO) - en del af National Optical Astronomy Observatory (NOAO).

"Denne dag markerer en enorm milepæl for os, " sagde DESI-direktør Michael Levi fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som leder projektets internationale samarbejde. "Nu fjerner vi det gamle udstyr og starter den årelange proces med at sætte de nye ting på." Mere end 465 forskere fra omkring 71 institutioner deltager i DESI-samarbejdet.

Hele den øverste ende af teleskopet, som vejer lige så meget som en skolebus og rummer teleskopets sekundære spejl og et stort digitalkamera, vil blive fjernet og erstattet med DESI-instrumenter. En stor kran vil løfte teleskopets øverste ende gennem observationsspalten i dens kuppel.

Udover at give ny indsigt om universets ekspansion og storskalastruktur, DESI vil også hjælpe med at sætte grænser for teorier relateret til tyngdekraften og universets dannelsesstadier, og kunne endda give nye massemålinger for en række uhåndgribelige, men alligevel rigelige subatomære partikler kaldet neutrinoer.

"En af de primære måder, vi lærer om det usete univers på, er ved dets subtile virkninger på galaksernes klyngedannelse, " sagde DESI Collaboration Co-talsperson Daniel Eisenstein fra Harvard University. "De nye kort fra DESI vil give et udsøgt nyt niveau af følsomhed i vores studie af kosmologi."

Mayall-teleskopet har spillet en vigtig rolle i mange astronomiske opdagelser, herunder målinger, der understøtter opdagelsen af ​​mørk energi og fastslår mørkt stofs rolle i universet ud fra målinger af galakse-rotation. Dens observationer er også blevet brugt til at bestemme universets skala og struktur. Mørkt stof og mørk energi tilsammen antages at udgøre omkring 95 procent af al universets masse og energi.

Det var et af verdens største optiske teleskoper på det tidspunkt, det blev bygget, og på grund af sin robuste konstruktion er den perfekt egnet til at bære det nye 9-tons instrument.

"Vi startede dette projekt med at undersøge store teleskoper for at finde et, der havde et passende spejl og ikke ville kollapse under vægten af ​​et så massivt instrument, " sagde Berkeley Labs David Schlegel, en DESI-projektforsker.

Arjun Dey, NOAO-projektets videnskabsmand for DESI, forklaret, "Mayall blev for tidligt konstrueret som et slagskib og designet med et bredt synsfelt."

Udvidelsen af ​​teleskopets synsfelt vil give DESI mulighed for at kortlægge omkring en tredjedel af himlen.

Brenna Flaugher, en DESI-projektforsker, der leder astrofysikafdelingen ved Fermi National Accelerator Laboratory, sagde DESI vil transformere videnskabens hastighed ved Mayall-teleskopet.

"Teleskopet var designet til at bære en person på toppen, som sigtede og styrede det, men med DESI er det hele automatiseret, " sagde hun. "I stedet for en ad gangen kan vi måle hastighederne på 5, 000 galakser ad gangen - vi vil måle mere end 30 millioner af dem i vores femårige undersøgelse."

DESI vil bruge en række af 5, 000 drejelige robotter, hver omhyggeligt koreograferet for at pege et fiberoptisk kabel mod en forudprogrammeret sekvens af dybe rumobjekter, inklusive millioner af galakser og kvasarer, som er galakser, der rummer massive, aktivt fodring af sorte huller.

De fiberoptiske kabler vil føre lyset fra disse objekter til 10 spektrografer, som er værktøjer, der vil måle egenskaberne af dette lys og hjælpe med at udpege genstandenes afstand og den hastighed, hvormed de bevæger sig væk fra os. DESIs observationer vil give et dybt kig ind i det tidlige univers, op til omkring 11 milliarder år siden.

Den cylindriske, fiber-toting robotter, som vil blive indlejret i en afrundet metalenhed kaldet et brændplan, vil flytte for at fange en ny eksponering af himlen cirka hvert 20. minut. Fokusplanet, som nu samles på Berkeley Lab, forventes færdiggjort og leveret til Kitt Peak i år.

DESI vil scanne en tredjedel af himlen og vil fange omkring 10 gange flere data end en forgænger undersøgelse, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Dette projekt var afhængig af en manuelt roteret sekvens af metalplader - med fibre stukket med hånden ind i forborede huller - for at målrette objekter.

Alle DESI's seks linser, hver omkring en meter i diameter, er komplette. De vil blive omhyggeligt stablet og justeret i en stålstøttestruktur og vil i sidste ende køre med brændplanet oven på teleskopet.

Hver af disse linser tog form fra store glasblokke. De har krydset kloden på kryds og tværs for at modtage forskellige behandlinger, inklusive slibning, polering, og belægninger. Det tog omkring 3,5 år at producere hver af linserne, som nu bor på University College London i Storbritannien og vil blive sendt til DESI-stedet til foråret.

Mayall-teleskopet er senest blevet optaget i en DESI-støttende himmelundersøgelse kendt som Mayall z-Band Legacy Survey (MzLS), som er en af ​​fire himmelundersøgelser, som DESI vil bruge til at forudvælge sine målrettede himmelobjekter. Den undersøgelse blev afsluttet få dage før Mayalls midlertidige lukning, mens de andre er i gang.

Data fra disse undersøgelser analyseres på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Data fra disse undersøgelser er blevet frigivet til offentligheden på legacysurvey.org.

"Vi kan se omkring en milliard galakser i undersøgelsens billeder, hvilket er ret sjovt at udforske, Schlegel sagde. "DESI-instrumentet vil præcist måle millioner af disse galakser for at se virkningerne af mørk energi."

Levi bemærkede, at der allerede er en masse computerarbejde i gang hos NERSC for at forberede sig på den strøm af data, der vil strømme ud af DESI, når den starter op.

"Dette projekt handler om at generere enorme mængder data, " sagde Levi. "Dataene vil gå direkte fra teleskopet til NERSC for behandling. Vi vil skabe hundredvis af universer i disse computere og se, hvilket univers der passer bedst til vores data."

Installationen af ​​DESIs komponenter forventes at begynde snart og afsluttes i april 2019, med de første videnskabelige observationer planlagt i september 2019.

"At installere DESI på Mayall vil sætte teleskopet i hjertet af det næste årti af opdagelser inden for kosmologi, " sagde Risa Wechsler, DESI Collaboration Medtalsmand og lektor i fysik og astrofysik ved SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University. "Det fantastiske 3D-kort, det vil måle, kan løse nogle af de største udestående spørgsmål inden for kosmologi, eller overraske os og bringe nye op."