Lo strumento spettroscopico dell'energia oscura, chiamato DESI, ha un obiettivo ambizioso:scansionare più di 35 milioni di galassie nel cielo notturno per seguire l'espansione del nostro universo e la crescita della sua struttura su larga scala negli ultimi 10 miliardi di anni. Utilizzando DESI, un progetto guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory, gli scienziati sperano di creare una mappa 3D di un terzo del cielo notturno che sia più accurata e precisa di qualsiasi altra.

Una mappa precisa richiede che il DESI stesso sia costruito e assemblato con precisione micrometrica. Fermilab, un laboratorio nazionale del Dipartimento dell'Energia, sta contribuendo con un pezzo chiave dello strumento:un grande, dispositivo a forma di botte che conterrà lenti ottiche per raccogliere la luce da milioni di galassie lontane. La più piccola deviazione nell'allineamento dell'obiettivo potrebbe portare lo strumento a essere permanentemente fuori fuoco. Ogni pezzo della canna deve essere posizionato perfettamente, quindi il team del Fermilab sta attualmente adottando tutte le misure per garantire il suo preciso assemblaggio.

Il processo prevede una macchina speciale, manipolazione meticolosa e una sana dose di pazienza.

Assemblaggio di precisione

Il dispositivo di supporto dell'obiettivo è un cilindro segmentato lungo circa 8 piedi e largo 4 piedi, delle dimensioni di un piccolo ascensore. Una volta completata la massiccia canna d'acciaio, sarà installato presso il telescopio di quattro metri Mayall presso il Kitt Peak National Observatory, a sud-ovest di Tucson, Arizona.

Le lenti raccoglieranno la luce riflessa dallo specchio del telescopio e la focalizzeranno in 5, 000 fibre ottiche, attraverso il quale la luce viene trasportata a speciali rivelatori, chiamati spettrografi. Con l'aiuto di 10 di questi spettrografi, gli scienziati possono misurare la distanza delle galassie.

A maggio, un team di specialisti del Fermilab ha iniziato ad assemblare con cura i cinque segmenti della canna, controllando che ogni dado e bullone fosse posizionato perfettamente. Ma un adattamento a livello di dadi e bulloni non è sufficiente. Per raggiungere la precisione a cui mirano gli scienziati, la canna DESI e la sua struttura interna devono essere assemblate con precisione entro 20 micrometri incredibilmente stretti. È un decimo dello spessore di un foglio di carta.

Per ottenere la misura richiesta, la squadra ha fatto piccoli, regolazioni critiche alla canna assemblata.

Allineamento accurato

Le regolazioni a botte avvengono in un'area vuota delle dimensioni di una piccola camera da letto. Quattro alti pilastri – alti quasi sette piedi – stanno agli angoli dello spazio.

Sopra le loro teste, una rotaia, simili ai binari del treno, collega da un lato le sommità dei due pilastri. Un secondo binario collega gli altri due. Una carreggiata mobile attraversa il vuoto - come un ponte alto attraversa un fiume - collegando i due binari. La carrozza stessa scivola lungo la pista.

La squadra guida il carrello in modo che si fermi appena sopra la canna. Il carrello porta un braccio meccanico che punta verso il pavimento. Può ruotare in tutte le direzioni nello spazio all'interno dei pilastri. Alla fine del braccio c'è un sensore altamente sensibile e preciso, fissato ad una sonda motorizzata articolata.

Il braccio con il sensore prende vita:arriva fino alla canna e inizia a toccarne le superfici. Cerca punti specifici sulla canna:un angolo, un bordo, un altro marcatore di superficie significativo. Quando li trova, misura le coordinate nello spazio designato. Con molta attenzione e con piccoli movimenti, si muove su tutta la superficie della canna, misurando, giù e intorno alla superficie. Come fa, registra i dati di misurazione e li salva per ulteriori analisi. Jorge Montes, uno dei membri della squadra, posiziona strategicamente i marcatori sulla superficie della canna per aiutare i loro sforzi di allineamento.

Dopo aver effettuato la misurazione, gli scienziati riportano la canna in un'area esterna. Là lo smontano, riallineare tutte le parti, basandosi sui segnalini precedentemente posizionati. Poi lo rimontano. Con grande cura portano nello spazio vuoto la canna di nuovo completamente assemblata e misurano nuovamente la precisione del loro assemblaggio.

Confrontando le loro prestazioni con il loro assemblaggio precedente, imparano quali pezzi, se del caso, sono disallineati, anche leggermente, e dove hanno migliorato l'allineamento.

Una macchina magica

Il preciso, macchina di misura a movimento lento che rileva i disallineamenti è chiamata macchina di misura a coordinate, o CMM. Il gruppo che effettua queste misurazioni punto per punto, guidato dal fisico ingegneristico del Fermilab Michael Roman, lo utilizza per garantire il perfetto assemblaggio della canna DESI.

Con l'aiuto del CMM, ripetono tutta la procedura di montaggio, misurazione e smontaggio più e più volte, confrontando sempre le loro prestazioni con i tentativi precedenti. Quando raggiungono il loro allineamento entro 10 micrometri, circa un decimo della larghezza di un capello umano, in un certo numero di tentativi, sono soddisfatti.

"Fin dall'inizio sapevamo che la canna necessitava di misurazioni di alta precisione per l'assemblaggio e che sarebbe stata troppo grande per una qualsiasi delle CMM del Fermilab per eseguire tali misurazioni, " disse Romano.

"A forte sostegno di DESI, Fermilab ha acquistato una macchina per le misurazioni dedicate sulla canna, " ha detto lo scienziato Gaston Gutierrez, che è uno dei capi progetto DESI al Fermilab.

Stabile e stabile

Per garantire che le misurazioni della CMM siano precise quanto devono essere, la CMM è allestita in un locale climatizzato, dove gli scienziati monitorano e controllano la temperatura 24 ore al giorno. I materiali si espandono quando si scaldano, che influenzano l'accuratezza delle misurazioni della CMM.

Quindi gli scienziati hanno elaborato le giuste impostazioni di controllo per il sistema di controllo ambientale per garantire che la temperatura non variasse mai di più di un grado da 20 gradi Celsius.

Anche l'eventuale effetto di pesi elevati sulla canna DESI, comprese le lenti, può essere misurato con la nuova CMM. Gli scienziati posizionano la canna DESI nella macchina e la misurano, quindi aggiungere pesi di prova sui lati e rimisurare la canna. La squadra può vedere come la canna si restringe o si piega, se non del tutto, e determinare se le lenti rimarranno ferme quando il telescopio è in movimento.

Il team del Fermilab prevede di completare tutte le misurazioni CMM entro l'inizio del 2017. Quindi smonteranno la canna DESI e la invieranno all'University College di Londra. A Londra, i loro colleghi installeranno le lenti nelle strutture di supporto. Una volta installate le lenti, il barile inizierà il suo viaggio verso la sua futura casa in Arizona.

Misurare l'espansione dell'universo

Gli scienziati hanno scoperto che il nostro universo sta diventando sempre più grande, senza alcuna fine in vista. Come l'uvetta in una pagnotta che lievita, le galassie dell'universo vengono allontanate l'una dall'altra.

Dalle misurazioni precedenti, gli scienziati hanno una specie di sovrano cosmico, una lunghezza standard che risale all'inizio dell'universo. Usando questo righello insieme alla mappa DESI ad alta precisione, gli scienziati saranno in grado di dire di quanto si sono allontanate le galassie e quanto è cresciuto il nostro universo nel corso della sua storia.

"Con l'esperimento DESI, vogliamo seguire i passi crescenti del nostro universo, " ha detto Gutierrez. "Partiamo da oggi e andiamo indietro nel tempo per misurare quanto l'universo si è espanso dai suoi primi giorni.

La fabbricazione, l'assemblaggio e il funzionamento di DESI sono piccoli ma importantissimi passi verso la comprensione precisa dell'universo.