Desde 2005, cientistas têm esquadrinhado o céu noturno para criar um mapa tridimensional de nosso universo com o objetivo de lançar luz sobre um dos maiores mistérios da física:a natureza e a identidade da energia escura e da matéria escura. Esse esforço está prestes a obter uma atualização massiva com a instalação e teste bem-sucedidos do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura, ou DESI.

Cientistas instalaram recentemente o DESI no Observatório Nacional de Kitt Peak, no Arizona. O dispositivo possui 5, 000 fibras ópticas, cada um projetado para coletar luz de uma única galáxia. O DESI está permitindo aos cientistas coletar 20 vezes mais dados do que pesquisas anteriores.

Um instrumento anterior em um telescópio diferente, o instrumento Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, colaboradores necessários para perfurar 1, 000 buracos em grandes placas de metal que continham fibras em uma configuração que combinava exatamente com a posição de galáxias conhecidas em uma pequena parte do céu noturno. Cada vez que os cientistas queriam fazer imagens de novas galáxias, uma nova placa teve que ser perfurada e as fibras inseridas manualmente.

Com DESI, pesquisadores relegaram o árduo trabalho de localizar galáxias a uma colmeia de 5, 000 tubos robóticos em forma de lápis. Os posicionadores têm uma precisão de vários micrômetros - cerca de um décimo da largura de um cabelo humano - e são capazes de se mover por conta própria para focar em galáxias distantes.

As imagens que eles tiram não são fotografias comuns. Em vez disso, os cientistas estão interessados ​​no tipo de luz que as galáxias emitem. Todas as galáxias estão em movimento, principalmente se afastando um do outro devido à expansão do universo. E a luz daqueles que se afastam de nós é esticada para a baixa frequência, parte vermelha do espectro, da mesma forma que as ondas sonoras de uma sirene são estendidas quando uma ambulância passa por você.

Os cientistas podem usar esses sinais desviados para o vermelho para criar um mapa tridimensional do nosso universo que remonta a 11 bilhões de anos em seu passado nascente. Ao analisar a distribuição das galáxias no espaço e no tempo, os cientistas podem então fazer inferências sobre a natureza da matéria escura desconhecida que une as galáxias e a da energia escura, o que os separa.

Os pesquisadores concluíram a primeira rodada de testes nos posicionadores robóticos em novembro passado.

"Fiquei satisfeito em ver que os posicionadores foram para onde dissemos que deveriam ir quando ligamos o instrumento, "disse Stephen Kent, um cientista do Fermilab do Departamento de Energia. "Com um sistema tão complexo, você nunca sabe onde pode ter problemas. "

Um segundo marco foi alcançado em janeiro, quando os posicionadores foram apontados com precisão para mais de 2, 000 estrelas simultaneamente.

"Esse foi o momento em que pudemos começar a trabalhar na ciência, não apenas engenharia, "Kent disse.

Durante esta fase de teste, pesquisadores implementaram um pacote de software chamado Platemaker, que foi projetado por Kent e o cientista Eric Neilsen no Fermilab.

O software é um jogador fundamental na coreografia do movimento de todos os 5, 000 posicionadores robóticos simultaneamente, especialmente porque os posicionadores às vezes podem atrapalhar uns aos outros.

"Como uma decisão de design para o instrumento desde o início, permitimos que os robôs alcancem as zonas de patrulha uns dos outros, "disse Joseph Silber, um engenheiro no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e engenheiro chefe no plano focal. "Isso significa que eles podem colidir, e eles não deveriam. "

Desde então, Kent e sua equipe estão ajustando o código no Platemaker para melhorar a precisão com que os posicionadores podem ser localizados.

O software orienta os posicionadores robóticos em um processo de várias etapas para localizar galáxias. Primeiro, o plano focal - uma grande estrutura metálica que mantém os posicionadores no lugar - deve ser apontado apenas para a parte certa do céu. Assim como os antigos navegadores marítimos usariam a posição das estrelas para guiar seu caminho, 10 câmeras de alta resolução incorporadas ao plano focal capturam e analisam a luz das estrelas, que permite aos pesquisadores orientar o telescópio.

Esses movimentos para posicionar o plano focal devem ser incrivelmente precisos para que cada fibra receba o máximo de luz possível de sua galáxia atribuída. Deslocado um pouco fora do alvo, e a fibra será apenas parcialmente preenchida com a luz de sua galáxia. Mas quando posicionado conforme projetado, cada fibra será preenchida completamente com a luz de sua galáxia, com fundo mínimo.

Assim que o telescópio estiver apontado na direção certa, os posicionadores robóticos começam uma valsa mecânica intrincada, espiando profundamente no céu para detectar fontes de luz muito fracas para os olhos humanos verem.

Seu alto grau de precisão os leva a maior parte do caminho para a galáxia desejada, mas o ângulo ainda pode estar ligeiramente errado para alguns. Para pegá-los no resto do caminho, DESI tem uma câmera CCD instalada no espelho principal do telescópio, que olha para o plano focal. Os pesquisadores usam uma fonte de luz embutida para iluminar as fibras embutidas nos posicionadores robóticos. As fibras projetam os pequenos pontos de luz resultantes para a câmera CCD, que então as imagens. O software Platemaker compara as posições das fibras nas imagens para onde elas realmente deveriam ser apontadas com base em gráficos estelares detalhados de levantamentos anteriores.

O software então calcula a distância de cada posicionador do alvo desejado, depois disso, outro sistema pode movê-lo o resto do caminho em direção à sua galáxia designada.

"É um processo de modelagem muito complicado, que nos levou alguns anos para descobrir, "Kent disse.

Com o trabalho mais difícil agora concluído, pesquisadores, que estão atualmente teletrabalhando, planeje terminar o teste do software quando eles retornarem ao local.

DESI está programado para operar por um total de cinco anos, durante o qual ele medirá os desvios para o vermelho de mais de 30 milhões de galáxias e quasares - um tipo de buraco negro massivo. Os cientistas podem então usar essas informações para determinar se e como a concentração de energia escura mudou ao longo da história do nosso universo.