Ein 45 Jahre altes Teleskop wird ein High-Tech-Upgrade erhalten, mit dem es nach Antworten auf die verwirrendsten Fragen der Astronomie suchen kann, einschließlich der Existenz dunkler Energie, einer hypothetischen unsichtbaren Kraft, die die Expansion von antreiben könnte das Universum.
Das Nicholas U. Mayall-Teleskop in Arizona wurde Anfang dieser Woche geschlossen, um die Installation eines 9-Tonnen-Geräts vorzubereiten, das 5.000 bleistiftgroße Roboter mit faseroptischen Sensoren auf entfernte Galaxien ausrichten wird.
Alle 20 Minuten werden die schwenkbaren Roboter neu positioniert, damit das Instrument - das so genannte Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) - einen neuen Teil des Himmels erfassen kann. Zehn äußerst leistungsstarke Instrumente, sogenannte Spektrographen, analysieren dann das Licht der von den Sensoren erfassten entfernten Objekte und erstellen die bislang größte und detaillierteste 3D-Karte des Universums.
"Wir haben 2010 mit der Konzeption des Instruments begonnen", sagte Joseph Silber, ein DESI-Projektingenieur, der am Lawrence Berkeley Laboratory der Universität von Kalifornien arbeitet, in einer Erklärung. "Es basiert auf wissenschaftlichen Erkenntnissen, die mit dem BOSS-Instrument (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) durchgeführt wurden. Aber alles wird robotergesteuert statt manuell durchgeführt."
Das BOSS-Instrument am Apache Point Observatory in New Mexico verfügt über 1.000 optische Fasern, die Lichtsignale von den dunkelsten und am weitesten entfernten Galaxien erfassen können. Für DESI verwendeten die Ingenieure fünfmal so viele Fasern. BOSS-Forscher müssen Metallplatten mit sorgfältig gebohrten Löchern verwenden, um die optischen Fasern auf ihre Ziele zu richten. Für jeden Teil des Himmels, den sie abbilden möchten, müssen die Ingenieure neue Platten erstellen und diese am Teleskop befestigen. Im Fall von DESI werden die Roboter die ganze harte Arbeit erledigen und die Geschwindigkeit des Scannens erheblich erhöhen, sagten die Forscher.
"Es gibt 5.000 einzelne Roboter, von denen jeder eine Glasfaser antreibt", sagte Silber gegenüber Live Science. "Die optische Faser wird dann etwa 50 Meter über das Teleskop in einen separaten Raum geleitet, in dem diese sehr großen und empfindlichen Spektrographeninstrumente installiert sind."
Indem die Forscher messen, wie sich die Wellenlänge des von entfernten Galaxien (oder einem Himmelsobjekt) kommenden Lichts ändert, können sie herausfinden, wie weit sie entfernt sind und wie schnell sich die Galaxien entfernen. Wenn sich ein Objekt von uns entfernt, verschiebt sich sein Licht in Richtung des roten Teils des Lichtspektrums (einer längeren Wellenlänge), und deshalb wird es Rotverschiebung genannt.
Der Maßstab und die Komplexität der Karte werden den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie dunkle Energie und Schwerkraft während der gesamten Evolution des Universums miteinander konkurriert haben. Dunkle Energie ist die noch unbewiesene Kraft, die mit der Schwerkraft konkurriert und die beschleunigte Expansion des Universums bewirkt. Es wird geschätzt, dass die dunkle Energie bis zu 68 Prozent der im Universum vorhandenen Gesamtenergie ausmacht.
Die Empfindlichkeit des Instruments ermöglicht es den Astronomen, Galaxien zu sehen, die so weit entfernt sind, dass ihr Licht viele Milliarden Jahre zur Erde wandert. Die Forscher sagten, dass das Instrument, wenn man sich ansieht, wie lange es dauert, bis das Licht es erreicht, es ihnen ermöglichen würde, bis vor 11 Milliarden Jahren zurückzublicken.
"Eine der wichtigsten Möglichkeiten, wie wir etwas über das unsichtbare Universum lernen, sind seine subtilen Auswirkungen auf die Häufung von Galaxien", sagte Daniel Eisenstein, Co-Sprecher von DESI Collaboration an der Harvard University. "Die neuen Karten von DESI bieten ein exquisites neues Maß an Sensibilität für unser Studium der Kosmologie."
Während der geplanten fünf Betriebsjahre wird DESI Geschwindigkeiten von rund 30 Millionen Galaxien und Quasaren messen - supermassereiche Schwarze Löcher, die von einer Scheibe aus umlaufendem Material umgeben sind, so Brenna Flaugher, eine DESI-Projektwissenschaftlerin, die die Abteilung für Astrophysik am Fermi National Accelerator leitet Labor.
"Anstelle einer nach der anderen können wir die Geschwindigkeiten von 5.000 Galaxien gleichzeitig messen", sagte sie.
Das Instrument, eine Zusammenarbeit von 71 Forschungseinrichtungen, wird etwa zehnmal mehr Daten erfassen als sein Vorgänger BOSS.
"Bei diesem Projekt geht es darum, riesige Datenmengen zu generieren", sagte DESI-Direktor Michael Levi vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums, das das Projekt leitet. Die Forscher werden die Daten in Computersimulationen von Universen verwenden.
Silber und sein Team haben bereits 3.000 Positionierungsroboter hergestellt und in keilförmige Blütenblätter eingebaut, die in die Brennebene des Instruments eingebettet werden. Die sechs DESI-Objektive werden derzeit am University College London einer Endbehandlung unterzogen und im Frühjahr in die USA geliefert, damit mit der Installation der Komponenten begonnen werden kann.
DESI wird voraussichtlich im Frühjahr 2019 seine ersten Messungen durchführen.
