Dark Energy Instruments linser ser nattehimlen for første gang

Den 1. april Mayall-teleskopets kuppel nær Tucson, Arizona, åbnet for nattehimlen, og stjernelys strømmede gennem samlingen af ​​seks store linser, der var omhyggeligt pakket og justeret til et nyt instrument, der lanceres senere i år.

Blot timer senere, videnskabsmænd producerede de første fokuserede billeder med disse præcisionslinser – det største er 1,1 meter i diameter – under dette tidlige testspin, markerer en vigtig "first light"-milepæl for Dark Energy Spectroscopic Instrument, eller DESI. Denne første batch af billeder kom ind på Whirlpool Galaxy for at demonstrere kvaliteten af ​​de nye linser.

"Det var et utroligt øjeblik at se de første billeder på kontrolrummets monitorer, " sagde Connie Rockosi, hvem leder denne tidlige idriftsættelse af DESI-linserne. "En hel masse mennesker har arbejdet virkelig hårdt på det her, og det er virkelig spændende at vise, hvor meget der allerede er samlet."

Denne fase af projektet vil fortsætte i omkring seks uger og vil kræve indsats fra flere videnskabsmænd på stedet og fjernobservatører, bemærkede Rockosi, en professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz.

Når det er færdigt senere i år, DESI vil se og måle himlens lys på en helt anden måde end denne samling af linser. Den er designet til at optage tusindvis af lyspunkter i stedet for et enkelt, stort billede.

Den færdige DESI vil måle lyset fra titusinder af galakser, der når 12 milliarder lysår tilbage på tværs af universet. Det forventes at give den mest præcise måling af universets udvidelse og give ny indsigt i mørk energi, som videnskabsmænd forklarer, får denne udvidelse til at accelerere.

DESI's række af 5, 000 uafhængigt drejelige robotpositionere (se en relateret video:5, 000 robotter smelter sammen for at kortlægge universet i 3D), hver bærer et tyndt fiberoptisk kabel, vil automatisk flytte til forudindstillede positioner med en nøjagtighed inden for flere mikroner (milliontedele af en meter). Hver positioner er programmeret til at pege sit fiberoptiske kabel mod et objekt for at samle dets lys.

Dette lys vil blive kanaliseret gennem kablerne til en serie på 10 enheder kendt som spektrografer, der vil adskille lyset i tusindvis af farver. Lysmålingerne, kendt som spektre, vil give detaljerede oplysninger om objekters afstand og den hastighed, hvormed de bevæger sig væk fra os, giver frisk indsigt om mørk energi.

DESIs linser er anbragt i en tøndeformet enhed kendt som en korrektor, der er fastgjort over teleskopets primære spejl, og korrektoren flyttes og fokuseres af en omgivende enhed kendt som en hexapod.

Forskere fra Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ledede designet, konstruktion, og indledende test af korrekturrøret, hexapod og understøttende strukturer, der holder linserne på linje.

"Hele vores team er glade for at se dette instrument opnå første lys, " sagde Gaston Gutierrez, Fermilab-forskeren, der styrede denne del af projektet. "Det var en stor udfordring at bygge så store enheder inden for præcisionen af ​​et hår. Vi er glade for at se disse systemer komme sammen."

Den gigantiske korrekturtønde og hexapod, som tilsammen vejer omkring 5 tons, skal holde på linje med teleskopets store reflektorspejl, der er 12 meter under, alt imens det kompenserer for bevægelsen af ​​teleskopets samling af massive komponenter, mens det svinger hen over himlen.

"Dette er et stort skridt op. Det er et spring ind i fremtiden for Mayall-teleskopet, der vil muliggøre spændende nye videnskabelige opdagelser, " sagde Michael Levi, DESI's direktør og en fysiker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som er ledende institution i det internationale DESI-samarbejde. "Teamet har arbejdet på den nye korrektur i de sidste fem år, så det var noget af en oplevelse at se $10 millioner optik løftet af kranen under installationen."

Det nye sæt linser (se en relateret video:The Life of a Lens) udvider teleskopets synsvindue med omkring 16 gange, gør det muligt for DESI at kortlægge omkring en tredjedel af den synlige himmel flere gange i løbet af sin femårige mission.

Peter Doel, professor ved University College London, ledet teamet, der designede det nye optiske system. "Vi havde et halvt dusin leverandører involveret i fremstilling og polering af glasset. En fejl ville have ødelagt alt. Det er spændende at vide, at de overlevede rejsen og fungerede så godt."

"Dette var en slags sandhedens øjeblik, " sagde David Schlegel, en DESI-projektforsker. "Vi har bidt negle."

David Sprayberry, direktør for National Optical Astronomy Observatory (NOAO) på Kitt Peak, sagde, "Vi har en fantastisk, multitalentet team for at sikre, at alt fungerer korrekt, "inklusive ingeniører, astronomer, og teleskopoperatører, der arbejder på skift. NOAO driver Mayall-teleskopet og dets Kitt Peak National Observatory-sted.

Han bemærkede udfordringen med at opdatere den robuste, årtier gammelt teleskop, som startede i 1973, med højpræcisionsudstyr. "I sidste ende skal vi sørge for, at DESI kan målrette til inden for 5 mikron nøjagtighed - ikke meget større end et menneskehår, " sagde han. Det er en stor ting for noget så tungt og stort." Hele den bevægelige vægt af Mayall-teleskopet er 375 tons.

Rockosi sagde, at der var intensiv forudgående planlægning af korrektorens tidlige test, og mange af opgaverne i denne testfase er fokuseret på at indsamle data fra aftenobservationer. Mens DESI-forskere har skabt automatiserede kontroller for at hjælpe med at positionere, fokus, og justere alt udstyr, denne testkørsel giver teamet mulighed for at finjustere disse automatiserede værktøjer.

"Vi vil se på klare stjerner og teste, hvor godt vi kan holde teleskopet målrettet det samme sted, og måle billedkvalitet, " sagde Rockosi. "Vi vil teste, at vi gentagne gange og pålideligt kan holde disse linser i den bedst mulige justering."

Præcisionstesten af ​​korrektoren er muliggjort af et instrument - nu monteret oven på teleskopet - der er designet og bygget af forskere fra Ohio State University. Denne 1-tons enhed, som har fem digitale kameraer og måleværktøjer leveret af Yale University, og elektronik leveret af University of Michigan, er kendt som idriftsættelsesinstrumentet.

Dette midlertidige instrument blev bygget med samme vægt og installeret på samme sted, hvor DESI's brændplan vil blive installeret, når det er færdigmonteret. Fokusflyet vil bære DESI's robotpositioneringsapparater. Idriftsættelsesinstrumentet simulerer, hvordan teleskopet vil præstere, når det bærer det fulde udvalg af DESI-komponenter, og verificerer kvaliteten af ​​DESI's linser.

"En af de største udfordringer med idriftsættelsesinstrumentet var at justere alle fem kameraer med korrektorens buede brændflade, " sagde Paul Martini, en astronomiprofessor ved Ohio State University, der ledede forskning og udvikling og installation af idriftsættelsesinstrumentet og nu fører tilsyn med brugen af ​​det. "En anden målte deres positioner til et par milliontedele meter, som er langt mere præcis end de fleste astronomiske instrumenter." Denne positionering vil sikre mere sande målinger af linsernes ydeevne.

Han sagde, at han ser frem til installationen af ​​DESI's fokusfly senere i år. Det vil bane vejen for DESI's officielle "første lys" af dets robotpositioneringsapparater og starten på dets galaksemålinger.

"Det, der fik mig begejstret for dette felt i første omgang, var at gå til teleskoper og tage data, så det bliver sjovt at have dette næste skridt, " han sagde.