På jagt efter signaler fra det tidlige univers

, På en varm morgen i begyndelsen af ​​juli, en syv fod bred, 8, 000-pund metallisk struktur fandt vej fra Boston til Penns David Rittenhouse Laboratory. Den store aperture teleskopmodtager (LATR) blev forsigtigt læsset på en gaffeltruck og båret gennem smalle gyder og parkeringspladser, før den blev placeret i High Bay lab, mens studerende og forskere så spændt på.

Men nu er det, når arbejdet, og det sjove, virkelig begynder. Som medlemmer af Simons Observatory-samarbejdet, forskere i Mark Devlins laboratorium lægger nu sidste hånd på LATR, sensoren, der vil være "hjertet" i et banebrydende astronomisk observatorium, hvis mål er at lære mere om universets tidlige øjeblikke.

Simons Observatory vil omfatte en række teleskoper, beliggende i den høje Atacama-ørken i det nordlige Chile, der er designet til at detektere kosmisk mikrobølgebaggrund (CMB). CMB er den resterende stråling efterladt af Big Bang, og astronomer studerer disse svage bølger for at lære mere om de første øjeblikke af universet, for næsten 14 milliarder år siden. Ved at studere denne "efterglød" af Big Bang, forskere håber at lære mere om universets udvikling over tid.

"Det er ligesom et fossil, " siger Michele Limon, en systemingeniør, der arbejder på Simons Observatory-projektet, om, hvordan CMB kan hjælpe astronomer med at se tilbage i tiden. Limon siger også, at CMB endda kunne bruges i andre områder af fysikforskning, som at måle massen af ​​neutrinoer. "CMB er et fantastisk værktøj, der lader dig studere alle mulige ting, " han siger.

Men udfordringen med at måle CMB er, at signalet er utroligt svagt. "Fordi det er så svagt, vi er nødt til at kontrollere støjen, " forklarer Zhilei Xu, en postdoc i Devlin-gruppen. "Og al elektronikken fungerer bedre, når den er koldere. Hvis det er for varmt, de larmer mere."

Kold, i tilfælde af LATR, betyder virkelig, virkelig, rigtig koldt. CMB eksisterer omkring 3 grader Kelvin, næsten -450 grader Fahrenheit. Og fordi Simons Observatory ønsker at studere CMB i ultra-mikrobølgeområdet, de bliver nødt til at gøre detektoren endnu koldere, ned til 0,1 grader Kelvin. For perspektiv, 0 Kelvin kaldes Absolut nul, den laveste teoretiske temperatur, der faktisk ikke er mulig at nå.

Som eksperter i kryogenik, en gren af ​​fysikken, der beskæftiger sig med at skabe og studere ting ved meget lave temperaturer, Devlin-gruppen arbejder på at skabe den rigtige type superkolde omgivelser, så detektorerne kan finde CMB'en. Ved at bruge deres ekspertise, gruppen designede den massive metalskal, der skal rumme al detektionsteknologien, med kandidatstuderende Ningfeng Zhu og Jack Orlowski-Scherer stærkt involveret i designet af LATR.

"Der er en begrænset køleeffekt i køleskabet, " siger Orlowski-Scherer om det ultra-kolde køleskab, der kommer ind i LATR. "Vi var nødt til at designe instrumentet på en måde, der kunne matche det, køleren var i stand til at slukke. At holde sig under grænsen betød omhyggeligt design, " han siger.

Som det største jordbaserede CMB-eksperiment, der nogensinde er bygget, dobbelt så stor som tidligere observatorier, Zhu siger, at designprocessen involverede en række tekniske udfordringer. Mængden af ​​tid brugt på at arbejde på designet og forventningen om at vente på at se, om LATR kunne holde under vakuumtryk var "spændende, udfordrende, og givende, " siger han. "Det er en enestående mulighed."

Devlin-laboratoriet vil bruge de kommende måneder på at køre test for at sikre, at LATR, hvis skal blev fremstillet i Boston med alle komponenter præcise til 1 mm, fungerer som det skal før montering af isolering, detektorer, termometre, og sensorer.

Parallelt, det store blænde teleskop, LAT for kort, bliver produceret i Tyskland med det formål at få både LATR og LAT samlet og sendt til Chile i begyndelsen af ​​2021. Målet er, at observatoriet skal samle sit "første lys" engang i foråret 2021.

Devlin, som har arbejdet inden for dette felt i hele sin karriere, siger, at det færdige produkt vil være 10 gange mere følsomt end noget andet CMB-eksperiment, han har arbejdet på. Han siger, at med sådan et langsigtet projekt som dette er det svært at have et enkelt aspekt, som han ser mest frem til, men siger, at det er "fantastisk" at have LATR her på Penn og at se de fremskridt, der sker hver dag.

"De kortsigtede mål er baseret på teknologi, men det langsigtede mål er faktisk videnskaben. Vi bruger vores tid på teknologien, fordi ultimativt, du ønsker at tage følsomme målinger af himlen. Og vi skal se på fede ting, universets udvikling over kosmisk tid, så bare at se resultaterne komme ind vil være sjovt, " siger Devlin.