Dal 2005, gli scienziati hanno scansionato il cielo notturno per creare una mappa tridimensionale del nostro universo con lo scopo di far luce su uno dei più grandi misteri della fisica:la natura e l'identità dell'energia oscura e della materia oscura. Questo sforzo sta per ottenere un enorme aggiornamento con l'installazione e il test di successo dello strumento spettroscopico per l'energia oscura, o DESI.

Gli scienziati hanno recentemente installato DESI presso il Kitt Peak National Observatory in Arizona. Il dispositivo dispone di 5, 000 fibre ottiche, ognuno progettato per raccogliere la luce da una singola galassia. DESI consente agli scienziati di raccogliere 20 volte più dati rispetto ai sondaggi precedenti.

Uno strumento precedente su un telescopio diverso, lo strumento Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, collaboratori richiesti per perforare 1, 000 fori in grandi lastre di metallo che contenevano fibre in una configurazione che corrispondeva esattamente alla posizione delle galassie conosciute in una piccola porzione del cielo notturno. Ogni volta che gli scienziati volevano immaginare nuove galassie, si doveva forare una nuova lastra e inserire a mano le fibre.

Con DESI, i ricercatori hanno relegato il lavoro estenuante di individuare le posizioni delle galassie a un alveare di 5, 000 tubi robotici a forma di matita. I posizionatori hanno una precisione di diversi micrometri, circa un decimo della larghezza di un capello umano, e sono in grado di muoversi da soli per concentrarsi su galassie lontane.

Le immagini che scattano non sono fotografie ordinarie. Gli scienziati sono invece interessati al tipo di luce emessa dalle galassie. Tutte le galassie sono in movimento, per lo più allontanandosi l'uno dall'altro a causa dell'espansione dell'universo. E la luce di coloro che si allontanano da noi si allunga nella bassa frequenza, parte rossa dello spettro, più o meno allo stesso modo in cui le onde sonore di una sirena vengono allungate quando un'ambulanza ti passa davanti.

Gli scienziati possono utilizzare questi segnali spostati verso il rosso per creare una mappa tridimensionale del nostro universo che risale a 11 miliardi di anni nel suo nascente passato. Analizzando la distribuzione delle galassie nello spazio e nel tempo, gli scienziati possono quindi trarre deduzioni sulla natura della materia oscura sconosciuta che unisce le galassie e quella dell'energia oscura, che li allontana.

I ricercatori hanno completato il primo ciclo di test sui posizionatori robotici lo scorso novembre.

"Mi ha fatto piacere vedere che i posizionatori si sono spostati dove abbiamo detto loro di andare quando abbiamo acceso lo strumento, " ha detto Stephen Kent, uno scienziato del Fermilab del Dipartimento dell'Energia. "Con un sistema così complesso, non sai mai dove potresti incorrere in problemi."

Un secondo traguardo è stato raggiunto a gennaio quando i posizionatori sono stati accuratamente puntati su oltre 2, 000 stelle contemporaneamente.

"Quello era il momento in cui potevamo iniziare a lavorare sulla scienza, non solo ingegneria, " ha detto Kent.

Durante questa fase di test, i ricercatori hanno implementato un pacchetto software chiamato Platemaker, che è stato progettato da Kent e dallo scienziato Eric Neilsen al Fermilab.

Il software è un attore chiave nella coreografia del movimento di tutti e 5, 000 posizionatori robot contemporaneamente, soprattutto perché i posizionatori a volte possono intralciarsi a vicenda.

"Come decisione progettuale per lo strumento fin dall'inizio, permettiamo ai robot di raggiungere le rispettive zone di pattuglia, " disse Joseph Silber, un ingegnere al Lawrence Berkeley National Laboratory e ingegnere capo sul piano focale. "Ciò significa che possono scontrarsi, e non dovrebbero."

Da allora, Kent e il suo team hanno messo a punto il codice in Platemaker per migliorare la precisione con cui possono essere localizzati i posizionatori.

Il software guida i posizionatori robotici in un processo a più fasi per individuare le galassie. Primo, il piano focale, una grande struttura metallica che tiene in posizione i posizionatori, deve essere puntato proprio sulla giusta porzione di cielo. Proprio come i vecchi navigatori marittimi usavano la posizione delle stelle per orientarsi, 10 telecamere ad alta risoluzione integrate nel piano focale catturano e analizzano la luce delle stelle, che permette ai ricercatori di orientare il telescopio.

Questi movimenti per posizionare il piano focale devono essere incredibilmente precisi affinché ogni fibra riceva più luce possibile dalla sua galassia assegnata. Spinto anche un po' fuori bersaglio, e la fibra sarà solo parzialmente riempita dalla luce della sua galassia. Ma quando posizionato come progettato, ogni fibra sarà riempita completamente della luce della sua galassia, con sfondo minimo.

Una volta puntato il telescopio nella giusta direzione, i posizionatori robotici iniziano un intricato valzer meccanico, scrutando in profondità nel cielo per rilevare fonti di luce troppo deboli per essere viste dagli occhi umani.

Il loro alto grado di precisione li porta quasi verso la galassia desiderata, ma l'angolo potrebbe essere ancora leggermente fuori per alcuni. Per farli il resto della strada, DESI ha una camera CCD installata sullo specchio primario del telescopio, che guarda il piano focale. I ricercatori utilizzano una sorgente di luce incorporata per illuminare le fibre incorporate nei posizionatori robotici. Le fibre proiettano i piccoli punti di luce che ne risultano alla camera CCD, che poi li immagina. Il software Platemaker confronta le posizioni delle fibre nelle immagini con il punto in cui dovrebbero essere effettivamente puntate sulla base di mappe stellari dettagliate di rilevamenti precedenti.

Il software calcola quindi la distanza di ciascun posizionatore dal target desiderato, dopodiché un altro sistema può spostarlo verso la sua galassia designata.

"È un processo di modellazione molto complicato, che ci sono voluti alcuni anni per capire, " ha detto Kent.

Con il lavoro più duro ora completato, ricercatori, che stanno attualmente telelavorando, pianificano di terminare il test del software quando tornano al sito.

DESI è programmato per operare per un totale di cinque anni, durante questo periodo misurerà lo spostamento verso il rosso di oltre 30 milioni di galassie e quasar, un tipo di buco nero massiccio. Gli scienziati possono quindi utilizzare queste informazioni per determinare se e come la concentrazione dell'energia oscura è cambiata nel corso della storia del nostro universo.