3 himmelundersøgelser gennemført som forberedelse til Dark Energy Spectroscopic Instrument

Det tog tre himmelundersøgelser - udført ved teleskoper på to kontinenter, dækker en tredjedel af den synlige himmel, og kræver næsten 1, 000 observationsnætter - for at forberede et nyt projekt, der vil skabe det største 3-D-kort over universets galakser og få ny indsigt om universets accelererende udvidelse.

Dette Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) projekt vil udforske denne udvidelse, drevet af en mystisk ejendom kendt som mørk energi, meget detaljeret. Det kunne også gøre uventede opdagelser under sin femårige mission.

Undersøgelserne, som sluttede i marts, har samlet billeder af mere end 1 milliard galakser og er essentielle i udvælgelsen af ​​himmelobjekter, der skal målrettes med DESI, nu under opførelse i Arizona.

Det seneste parti billeddata fra disse undersøgelser, kendt som DR8, blev offentligt udgivet den 8. juli, og et online Sky Viewer-værktøj giver en virtuel rundvisning i disse data. En endelig datafrigivelse fra DESI-billedundersøgelserne er planlagt senere i år.

Forskere vil udvælge omkring 33 millioner galakser og 2,4 millioner kvasarer fra det større sæt af objekter, der er afbildet i de tre undersøgelser. Kvasarer er de lyseste objekter i universet og menes at indeholde supermassive sorte huller. DESI vil målrette disse udvalgte objekter for flere målinger efter dets start, som forventes i februar 2020.

DESI vil måle hvert mål på tværs af en række forskellige bølgelængder af lys, kendt som spektrum, fra det udvalgte sæt af galakser gentagne gange i løbet af sin mission. Disse målinger vil give detaljer om deres afstand og acceleration væk fra Jorden.

En samling af 5, 000 drejelige robotter, hver bærer et fiberoptisk kabel, vil pege på sæt af forudvalgte himmelobjekter for at samle deres lys (se en relateret video), så det kan opdeles i forskellige farver og analyseres ved hjælp af en række enheder kaldet spektrografer.

Tre undersøgelser, 980 nætter

"Typisk, når du ansøger om tid på et teleskop får du op til fem nætter, " sagde David Schlegel, en DESI-projektforsker ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som er ledende institution i DESI-samarbejdet. "Disse tre billedundersøgelser udgjorde i alt 980 nætter, hvilket er et ret stort tal."

De tre billedundersøgelser for DESI omfatter:

• Mayall z-band Legacy Survey (MzLS), udført ved Mayall Telescope ved National Science Foundations Kitt Peak National Observatory nær Tucson, Arizona, over 401 nætter. DESI er nu under installation på Mayall Telescope.
• Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) ved Victor Blanco-teleskopet ved NSF's Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, som varede 204 nætter.
• Beijing-Arizona Sky Survey (BASS), som brugte Steward Observatorys Bok-teleskop ved Kitt Peak National Observatory og varede 375 nætter.

Undersøgelseshold på stedet - typisk to DESI-projektforskere pr. observationsnat for hver af undersøgelserne - tjente i en slags "livredder"-rolle, sagde Schlegel. "Når noget gik galt, var de der for at ordne det - for at holde øje med himlen, " og forskere, der arbejder eksternt, hjalp også med fejlfinding.

I begyndelsen af ​​marts, Eva-Maria Mueller, en postdoc forsker ved U.K.'s University of Portsmouth, og Robert Blum, tidligere vicedirektør ved National Optical Astronomy Observatory (NOAO), der administrerer undersøgelsesstederne, var på vagt med et lille hold i kontrolrummet på NSF's Victor Blanco-teleskop på et milehøjt chilensk bjerg for den sidste nat af DECaLS-undersøgelsesbilleddannelse.

Sad flere etager under teleskopet, Mueller og Blum så billeder i realtid for at verificere teleskopets position og fokus. Mueller, som deltog i en fem-nattevagt, der var hendes første observationsindsats til DESI-undersøgelserne, sagde, "Dette har altid været en slags barndomsdrøm."

Blum, der havde logget mange aftener ved Blanco-teleskopet for DECaLS, sagde, "Det er virkelig spændende at tænke på at afslutte denne fase." Han bemærkede, at denne sidste nat var fokuseret på at "rydde op i små huller" i den tidligere billedbehandling. Blum tjener nu i en ny rolle som fungerende driftsdirektør for Large Synoptic Survey Telescope under installation i Chile.

Ny software designet til DESI undersøgelser, og præcist positioneringsudstyr på teleskoperne, har hjulpet med at automatisere billedoptagelsesprocessen, indstilling af eksponeringstid og filtre og kompensation for atmosfæriske forvrængninger og andre faktorer, der kan påvirke billedkvaliteten, Blum bemærkede. I løbet af en produktiv aften, det var almindeligt at producere omkring 150 til 200 billeder til DECaLS-undersøgelsen.

Cool kosmisk kartografi eksperiment

Dataene fra undersøgelserne blev dirigeret til supercomputere ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som bliver det største lager for DESI-data.

Mere end 100 forskere deltog i nattevagter for at gennemføre undersøgelserne, sagde Arjun Dey, NOAO-projektets videnskabsmand for DESI. Dey fungerede som en ledende videnskabsmand for MzLS-undersøgelsen og en co-lead videnskabsmand på DECaLS-undersøgelsen med Schlegel.

"Vi bygger et detaljeret kort over universet og måler dets ekspansionshistorie over de sidste 10 til 12 milliarder år, " sagde Dey. "DESI-eksperimentet repræsenterer det mest detaljerede - og absolut det sejeste - kosmiske kartografieksperiment, der er gennemført til dato. Selvom billeddannelsen blev udført for DESI-projektet, dataene er offentligt tilgængelige, så alle kan nyde himlen og udforske kosmos."

BASS-undersøgelse understøttet af globalt team

Xiaohui fan, en professor i astronomi fra University of Arizona, der var medansvarlig for BASS-undersøgelsen udført ved Kitt Peak's Bok Telescope, koordineret seertid af en international gruppe, der omfattede co-leads professor Zhou Xu og lektor Zou Hu, andre videnskabsmænd fra National Astronomical Observatories of China (NAOC), og forskere fra University of Arizona og fra hele DESI-samarbejdet.

BASS produceret omkring 100, 000 billeder i løbet af dets fire år. Den scannede et udsnit af himlen, der var omkring 13 gange større end Big Dipper, del af Ursa Major-stjernebilledet.

"Dette er et godt eksempel på, hvordan et samarbejde foregår, " sagde Fan. "Gennem dette internationale partnerskab hentede vi folk fra hele verden. Dette er et godt eksempel på, hvordan observation med DESI vil være."

Fan bemærkede DESI-teamets hurtige reaktion med at opdatere teleskopets hardware og software i løbet af undersøgelsen.

"Det forbedrede sig meget med hensyn til automatiserede kontroller og fokusering og datareduktion, " sagde han. Det meste af BASS-undersøgelsens billedbehandling blev afsluttet i februar, med nogle sidste billeder taget i marts.

Næste skridt mod DESI's færdiggørelse

Alle de indsamlede billeder vil blive behandlet af en matematisk kode, kaldet traktor, som hjælper med at identificere alle de undersøgte galakser og måle deres lysstyrke.

Med den indledende test af den massive korrekturtønde, som rummer DESIs pakke med seks store spejle, i begyndelsen af ​​april, den næste store milepæl for projektet bliver leveringen, installation, og test af dets brændplan, som dækker teleskopet og rummer robotpositioneringsanordningerne.

Dey, som deltog i formative diskussioner om behovet for et eksperiment som DESI for næsten 20 år siden, sagde, "Det er ret forbløffende, at vores lille og dedikerede team var i stand til at gennemføre en så stor undersøgelse på så kort tid. Vi er spændte på at tage fat på næste fase af dette projekt!"