Wie 5000 Roboter in Bleistiftgröße die Mysterien des Universums lösen können

Ein 45 Jahre altes Teleskop wird ein High-Tech-Upgrade erhalten, das es ermöglichen wird, nach Antworten auf die verblüffendsten Fragen der Astronomie zu suchen, einschließlich der Existenz dunkler Energie, einer hypothetischen unsichtbaren Kraft, die die Ausbreitung von Galaxien vorantreiben könnte das Universum.

Das Nicholas U. Mayall Telescope in Arizona wurde Anfang der Woche geschlossen, um die Installation eines 9-Tonnen-Geräts vorzubereiten, das 5000 Roboter in Bleistiftgröße für faseroptische Sensoren in fernen Galaxien enthalten wird.

Alle 20 Minuten werden die schwenkbaren Roboter neu positioniert, damit das Instrument - das sogenannte Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) - einen neuen Teil des Himmels erfassen kann. Zehn äußerst leistungsfähige Instrumente, die Spektrographen genannt werden, analysieren das Licht der entfernten Objekte, die von den Sensoren aufgenommen wurden, und erzeugen so die bisher größte und detaillierteste 3D-Karte des Universums. [Die 18 größten ungelösten Mysterien in der Physik]

"Wir haben 2010 mit einem Konzeptentwurf für das Instrument begonnen", sagte Joseph Silber, ein DESI-Projektingenieur, der am Lawrence Berkeley Laboratory der Universität von Kalifornien arbeitet, in einer Erklärung. "Es basiert auf Wissenschaft, die auf dem Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) Instrument gemacht wurde. Aber es wird alles roboter statt manuell gemacht."

Das BOSS-Instrument am Apache Point Observatory in New Mexico verfügt über 1.000 optische Fasern, die Lichtsignale von den dimmesten und entferntesten Galaxien detektieren können. Für DESI verwendeten die Ingenieure fünfmal so viele Fasern. BOSS-Forscher müssen Metallplatten mit sorgfältig gebohrten Löchern verwenden, um die optischen Fasern zu ihren Zielen zu lenken. Für jeden Teil des Himmels, den sie darstellen wollen, müssen die Ingenieure neue Platten erstellen und sie auf dem Teleskop montieren. Im Fall von DESI werden die Roboter die ganze Arbeit machen und die Geschwindigkeit des Scannens beträchtlich erhöhen, sagten die Forscher.

"Es gibt 5.000 einzelne Roboter, und jeder treibt eine optische Faser", sagte Silber Live Science. "Die optische Faser wird dann etwa 50 Meter durch das Teleskop in einen separaten Raum geleitet, in dem diese sehr großen und empfindlichen Spektrographen installiert sind."

Indem sie messen, wie sich die Wellenlänge von Licht, das von fernen Galaxien (oder irgendeinem Himmelsobjekt) kommt, ändert, werden die Forscher herausfinden können, wie weit sie entfernt sind und wie schnell sich die Galaxien entfernen. Wenn sich ein Objekt von uns weg bewegt, verschiebt sich sein Licht in Richtung des roten Teils des Lichtspektrums (eine längere Wellenlänge) und deshalb wird es als Rotverschiebung bezeichnet.

Der Umfang und die Komplexität der Karte werden den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie dunkle Energie und Schwerkraft während der Evolution des Universums konkurriert haben. Dunkle Energie ist die noch unbewiesene Kraft, die mit der Schwerkraft konkurriert und die beschleunigte Expansion des Universums verursacht. Es wird geschätzt, dass die dunkle Energie bis zu 68 Prozent der gesamten im Universum vorhandenen Energie ausmacht.

Die Empfindlichkeit des Instruments wird es den Astronomen ermöglichen, 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 anschaut, wie lange das Licht braucht, um es zu erreichen, es ihnen erlauben würde, bis vor 11 Milliarden Jahren zurück zu schauen. [Unser expandierendes Universum: Alter, Geschichte und andere Fakten]

"Eine der wichtigsten Weisen, die wir über das ungesehene Universum lernen, ist durch seine subtilen Auswirkungen auf das Clustering von Galaxien", sagte Daniel Eisenstein, Co-Sprecher der DESI Collaboration, von der Harvard University. "Die neuen Karten von DESI werden in unserer Studie der Kosmologie eine neue Sensitivität bieten."

In den geplanten fünf Jahren wird DESI die Geschwindigkeit von etwa 30 Millionen Galaxien und Quasaren messen - supermassive Schwarze Löcher, die von einer Scheibe aus umkreisendem Material umgeben sind, so Brenna Flaugher, eine DESI-Projektwissenschaftlerin, die die Abteilung für Astrophysik am Fermi National Accelerator leitet Labor.

"Statt einzeln können wir die Geschwindigkeiten von 5.000 Galaxien gleichzeitig messen", sagte sie.

Das Instrument, eine Kooperation von 71 Forschungseinrichtungen, wird etwa 10 Mal mehr Daten erfassen als sein Vorgänger BOSS.

"Bei diesem Projekt geht es vor allem darum, riesige Datenmengen zu generieren", sagte DESI-Direktor Michael Levi vom Lawrence Berkeley National Laboratory des Department of Energy (Berkeley Lab), das das Projekt leitet. Die Forscher werden die Daten in Computersimulationen von Universen verwenden.

Silber und sein Team haben bereits 3.000 Positionierroboter produziert und in keilförmige Blütenblätter eingebaut, die in die Brennebene des Instruments eingebettet werden. Die sechs Objektive von DESI befinden sich derzeit in der Endbehandlung am University College London und werden in diesem Frühjahr in die USA geliefert, damit die Installation der Komponenten beginnen kann.

DESI wird voraussichtlich im Frühjahr 2019 erste Messungen durchführen.

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