Ultrapræcise mål i XXL

Det mørke energi spektroskopiske instrument, kaldet DESI, har et ambitiøst mål:at scanne mere end 35 millioner galakser på nattehimlen for at spore udvidelsen af ​​vores univers og væksten af ​​dets storskalastruktur over de sidste 10 milliarder år. Ved at bruge DESI - et projekt ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory - håber videnskabsmænd at skabe et 3D-kort over en tredjedel af nattehimlen, der er mere nøjagtigt og præcist end nogen anden.

Et præcist kort kræver, at selve DESI bygges og samles med mikrometerpræcision. Fermilab, et nationalt laboratorium for Energiministeriet, bidrager med en central del af instrumentet:en stor, tøndeformet enhed, der vil holde optiske linser til at opsamle lyset fra millioner af fjerne galakser. Den mindste afvigelse i linsens justering kan føre til, at instrumentet er permanent ude af fokus. Hvert stykke af tønden skal være perfekt placeret, så Fermilab-teamet tager i øjeblikket alle foranstaltninger for at sikre dens præcise montering.

Processen involverer en speciel maskine, omhyggelig håndtering og en sund portion tålmodighed.

Præcis montage

Linseholderen er en cirka 8 fod lang og 4 fod bred segmenteret cylinder - på størrelse med en lille elevator. Når den store ståltønde er færdig, det vil blive installeret ved Mayall fire-meter teleskopet ved Kitt Peak National Observatory, sydvest for Tucson, Arizona.

Linserne vil opsamle lyset, der reflekteres fra teleskopets spejl og fokusere det i 5, 000 optiske fibre, hvorigennem lyset transporteres til specielle detektorer, kaldet spektrografer. Ved hjælp af 10 sådanne spektrografer, forskere kan måle afstanden mellem galakserne.

I maj, et team af specialister hos Fermilab begyndte omhyggeligt at samle tøndens fem segmenter, kontrollere, at hver møtrik og bolt var perfekt placeret. Men en pasform på niveau med møtrikker og bolte er ikke nok. For at opnå den præcision, forskerne sigter efter, DESI-tønden og dens indre struktur skal samles nøjagtigt inden for en utrolig stramme 20 mikrometer. Det er en tiendedel af tykkelsen af ​​et ark papir.

For at opnå den nødvendige pasform, holdet har lavet små, kritiske justeringer af den samlede tønde.

Nøjagtig justering

Tøndejusteringerne foregår i et ledigt område på størrelse med et lille soveværelse. Fire høje søjler - næsten syv fod høje - står i hjørnerne af rummet.

over deres hoveder, en skinne, ligner togskinner, forbinder toppen af ​​de to søjler på den ene side. En anden skinne forbinder de to andre. Et bevægeligt vognspor spænder over hullet – ligesom en høj bro spænder over en flod – der forbinder de to skinner. Selve vognen glider langs sporet.

Holdet styrer vognen, så den stopper lige over tønden. Vognen bærer en mekanisk arm, der peger mod gulvet. Den kan rotere i alle retninger i rummet inden for søjlerne. For enden af ​​armen er der en meget følsom og præcis sensor, fastgjort til en leddelt motoriseret sonde.

Armen med sensoren kommer til live:Den når ned til tønden og begynder at mærke efter sine overflader. Den søger efter specifikke punkter på tønden – et hjørne, en kant, en anden væsentlig overflademarkør. Når den finder dem, den måler koordinaterne i det udpegede rum. Meget forsigtigt og med små bevægelser, den bevæger sig over hele overfladen af ​​tønden, måler op, ned og rundt om overfladen. Som det gør, den registrerer måledataene og gemmer dem til yderligere analyse. Jorge Montes, et af teammedlemmerne, placerer strategisk markører på tøndens overflade for at hjælpe deres justeringsbestræbelser.

Efter at have foretaget målingen, forskerne returnerer tønden til et udendørs område. Der skiller de det ad, justere alle dele, afhængig af de tidligere placerede markører. Så samler de det igen. Med stor omhu bringer de den endnu en gang færdigmonterede tønde ind i det tomme rum og måler på ny præcisionen af ​​deres samling.

Ved at sammenligne deres præstationer med deres tidligere forsamling, de lærer hvilke stykker, hvis nogen, er forkert justeret - selv lidt - og hvor de forbedrede justeringen.

En magisk maskine

Den præcise, langsomtkørende målemaskine, der påpeger fejljusteringerne, kaldes en koordinatmålemaskine, eller CMM. Gruppen, der foretager disse punkt-for-punkt målinger, ledet af Fermilab ingeniørfysiker Michael Roman, bruger det til at sikre DESI-tøndens perfekte samling.

Med hjælp fra CMM, de gentager hele samlingsproceduren, måling og demontering igen og igen, altid sammenligne deres præstationer med tidligere forsøg. Når de når deres justering inden for 10 mikrometer - omkring en tiendedel af bredden af ​​et menneskehår - i et vist antal forsøg, de er tilfredse.

"Fra tidligt af vidste vi, at tønden havde brug for højpræcisionsmålinger til samlingen, og at den ville være for stor for nogen af ​​CMM'erne hos Fermilab til at udføre sådanne målinger, " sagde Roman.

"Til stærk støtte til DESI, Fermilab købte en maskine til de dedikerede målinger på tønden, " sagde videnskabsmanden Gaston Gutierrez, som er en af ​​DESI projektlederne hos Fermilab.

Stabil og stabil

For at sikre, at CMM's målinger er så præcise, som de skal være, CMM er sat op i et rum med aircondition, hvor videnskabsmænd overvåger og kontrollerer temperaturen 24 timer i døgnet. Materialer udvider sig, når de bliver varme, påvirker nøjagtigheden af ​​CMM's målinger.

Så forskerne udarbejdede de rigtige kontrolindstillinger for miljøkontrolsystemet for at sikre, at temperaturen aldrig varierede mere end én grad fra 20 grader Celsius.

Selv den endelige effekt af tunge vægte på DESI-tønden, inklusive linser, kan måles med den nye CMM. Forskere placerer DESI-tønden i maskinen og måler den, tilføj derefter testvægte på siderne og mål tønden igen. Holdet kan se, hvordan tønden krymper eller bøjes, hvis overhovedet, og afgør, om linserne vil holde stabilt, når teleskopet er i bevægelse.

Fermilab-teamet forventer at afslutte alle CMM-målinger i begyndelsen af ​​2017. Så vil de skille DESI-tønden ad og sende den til University College London. I London, deres kolleger vil installere linserne i støttestrukturerne. Når linserne er installeret, tønden vil begynde sin rejse til sit fremtidige hjem i Arizona.

Måling af universets udvidelse

Forskere har opdaget, at vores univers vokser sig større og større - uden nogen ende i sigte. Som rosiner i et hævende brød, universets galakser bliver skubbet fra hinanden.

Fra tidligere målinger, videnskabsmænd har en slags kosmisk hersker, en standardlængde, der går tilbage til universets tidlige begyndelse. Ved at bruge denne lineal sammen med DESI-kortet med høj præcision, videnskabsmænd vil være i stand til at fortælle, hvor langt galakser har bevæget sig fra hinanden, og hvor meget vores univers er vokset gennem dets historie.

"Med DESI-eksperimentet, vi ønsker at følge de voksende trin i vores univers, " sagde Gutierrez. "Vi starter fra i dag og går tilbage i tiden for at måle, hvor meget universet har udvidet sig siden dets tidlige dage.

Fremstillingen, samling og drift af DESI er små, men yderst vigtige skridt hen imod en præcis forståelse af universet.