Uno strumento progettato per rappresentare la vasta rete di gas che collega le galassie nell'universo è stato spedito da Los Angeles alle Hawaii, dove sarà integrato nell'Osservatorio W. M. Keck.

Lo strumento, chiamato Keck Cosmic Web Imager, o KCWI, è stato progettato e costruito da un team del Caltech guidato dal Professore di Fisica Christopher Martin. Sarà uno dei migliori strumenti al mondo per acquisire immagini spettrali di oggetti cosmici, immagini dettagliate in cui ogni pixel può essere visualizzato in tutte le lunghezze d'onda della luce visibile. Tali informazioni spettrali ad alta risoluzione consentiranno agli astronomi di studiare le composizioni, velocità, e masse di molti oggetti, come stelle e galassie, in modi che prima non erano possibili.

Uno degli obiettivi principali di KCWI, e una passione di Martin da 30 anni, è rispondere alla domanda:cosa fa il gas intorno alle galassie?

"Per decenni, gli astronomi hanno dimostrato che le galassie si evolvono. Ora stiamo cercando di capire come e perché, " dice Martin. "Sappiamo che il gas intorno alle galassie alla fine le sta alimentando, ma è così debole che non siamo ancora stati in grado di osservarlo da vicino e capire come funziona questo processo".

Martin e il suo team studiano quella che viene chiamata la rete cosmica, una vasta rete di flussi di gas tra le galassie. Recentemente, gli scienziati hanno trovato prove a sostegno di quello che viene chiamato il modello del flusso freddo, in cui questo gas si incanala nei nuclei delle galassie, dove si condensa e forma nuove stelle. I ricercatori avevano previsto che i filamenti di gas sarebbero prima fluiti in una grande struttura ad anello attorno alla galassia prima di entrare a spirale in essa, esattamente ciò che Martin e il suo team hanno scoperto utilizzando il Palomar Cosmic Web Imager, un precursore di KCWI, all'Osservatorio Palomar del Caltech vicino a San Diego.

"Abbiamo misurato la cinematica, o movimento, del gas attorno a una galassia e trovò un disco rotante molto grande collegato a un filamento di gas, " dice Martin. "Era la pistola fumante per il modello a flusso freddo".

Con KCWI, i ricercatori daranno un'occhiata più da vicino ai filamenti di gas e alle strutture ad anello attorno alle galassie che vanno da 10 a 12 miliardi di anni luce di distanza, un'era in cui il nostro universo aveva circa 2-4 miliardi di anni. Non solo KCWI può scattare foto più dettagliate rispetto al Palomar Cosmic Web Imager, ha altri progressi come migliori rivestimenti a specchio. La combinazione di questi miglioramenti con il fatto che KCWI viene installato in uno dei due telescopi Keck da 10 metri, il più grande osservatorio del mondo con alcuni dei cieli più scuri conosciuti sulla Terra, significa che KCWI avrà prestazioni migliorate di oltre un ordine di grandezza rispetto al Palomar Cosmic Web Imager.

KCWI mapperà il gas che scorre dal mezzo intergalattico, lo spazio tra le galassie, in molte giovani galassie, rivelando, per la prima volta, il modo dominante di formazione delle galassie nell'universo primordiale. Lo strumento cercherà anche i venti supergalattici provenienti dalle galassie che riportano il gas nel mezzo intergalattico. Il modo in cui il gas fluisce dentro e fuori le galassie in formazione è la questione centrale aperta nella formazione delle strutture cosmiche.

"Abbiamo progettato KCWI per studiare oggetti molto deboli e diffusi, la nostra enfasi principale è sulla sottile rete cosmica e sulle interazioni delle galassie con l'ambiente circostante, " dice Mateusz (Matt) Matuszewski, lo scienziato dello strumento per il progetto.

KCWI è anche progettato per essere uno strumento più generico rispetto al Cosmic Web Imager di Palomar, che è principalmente per gli studi della rete cosmica. Studierà tutto, dai getti di gas intorno alle giovani stelle ai venti delle stelle morte, ai buchi neri supermassicci e altro ancora. "Lo strumento è davvero versatile, " afferma Matuszewski. "Gli osservatori possono configurare l'ottica per regolare le scale e le risoluzioni spaziali e spettrali in base ai propri interessi".

I dadi e i bulloni di KCWI

Scienziati e ingegneri sono impegnati ad assemblare gli elementi altamente complessi dello strumento KCWI al Caltech dal 2012. Lo strumento ha le dimensioni di un camioncino dei gelati e pesa oltre 4, 000 chilogrammi. La caratteristica principale di KCWI è la sua capacità di acquisire informazioni spettrali sugli oggetti, come le galassie, su un'ampia immagine. Tipicamente, gli astronomi catturano gli spettri usando strumenti chiamati spettrografi, che hanno finestre strette a forma di fessura. Lo spettrografo scompone la luce dalla fessura in ciascuno dei colori che compongono l'oggetto target, proprio come un prisma che diffonde la luce in un arcobaleno. Ma gli spettrografi tradizionali non possono essere utilizzati per acquisire informazioni spettrali su un'intera immagine.

"Gli spettrografi tradizionali utilizzano più piccole fenditure per catturare molte stelle o i nuclei di molte galassie, " dice Martin. "Ora, vogliamo esaminare le caratteristiche che si estendono nel cielo, come getti stellari e galassie, che hanno strutture complesse, velocità, e flussi di gas. Se riesci a guardare solo attraverso una fessura, puoi vedere solo una piccola parte di quello che sta succedendo. Ma vogliamo vedere il quadro completo. Ecco perché abbiamo bisogno di uno spettrografo per immagini, un dispositivo che fornisce un'immagine per ogni singola lunghezza d'onda su un'ampia visuale."

Per creare uno spettrografo in grado di visualizzare oggetti più estesi come le galassie, KCWI utilizza quello che viene chiamato un design del campo integrale, che sostanzialmente divide un'immagine in 24 fessure, e raccoglie tutte le informazioni spettrali in una volta.

"Se stai guardando qualcosa di grande nel cielo, è inefficiente avere solo una fessura e attraversare quell'oggetto, quindi uno spettrografo di campo integrale combina un numero di specchi a forma di fessura insieme attraverso un campo visivo continuo, "dice Patrick Morrissey, lo scienziato del progetto per KCWI che ora lavora al JPL. "Immagina di guardare in uno specchio rotto:l'immagine riflessa viene spostata a seconda degli angoli dei pezzi. Ecco come funziona lo spettrografo a campo integrale. Una serie di specchi lavora insieme per far apparire una pila di fessure di forma quadrata su un'immagine come un'unica fessura verticale tradizionale."

KCWI ha la più alta risoluzione spettrale di qualsiasi spettrografo a campo integrale, il che significa che può spezzare meglio l'arcobaleno di luce per vedere più colori, o lunghezze d'onda. La prima fase dello strumento, ora in viaggio per Keck, copre il lato blu dello spettro visibile, la lunghezza d'onda varia da 3500 a 5600 Angstrom. Una seconda fase, estendendo la copertura al lato rosso dello spettro, fino a 10400 Angstrom, sarà costruito in seguito.

KCWI per scalare il Mauna Kea

Dopo che KCWI è arrivato alle Hawaii il 18 gennaio, ingegneri lo guideranno fino alla cima del Mauna Kea, dove è appollaiato Keck. È prevista una serie di prove di verifica e allineamento, e sarà seguito tra qualche mese dalle prime osservazioni attraverso il telescopio Keck.

"Ci sono binari intorno al telescopio dove sono installati gli strumenti, " dice Morrissey. "È come uno di quei vecchi capannoni ferroviari in cui il treno entrava e lo facevano girare fino a uno spazio disponibile per lo stoccaggio. Il telescopio si gira, indica lo strumento che l'astronomo vuole usare, e poi fanno girare quello strumento. Presto KCWI entrerà a far parte del telescopio."

KCWI è finanziato dalla National Science Foundation, attraverso il programma dell'Associazione delle Università per la Ricerca in Astronomia (AURA), e dalla Fondazione Heising-Simons, il W.M. Fondazione Keck, la Divisione di Fisica Caltech, Matematica e Astronomia, e gli osservatori ottici di Caltech.