O instrumento espectroscópico de energia escura, chamado DESI, tem uma meta ambiciosa:rastrear mais de 35 milhões de galáxias no céu noturno para rastrear a expansão do nosso universo e o crescimento de sua estrutura em grande escala nos últimos 10 bilhões de anos. Usando o DESI - um projeto liderado pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley - os cientistas esperam criar um mapa 3-D de um terço do céu noturno que seja mais preciso e preciso do que qualquer outro.

Um mapa preciso requer que o próprio DESI seja construído e montado com precisão micrométrica. Fermilab, um laboratório nacional do Departamento de Energia, está contribuindo com uma peça-chave do instrumento:um grande, dispositivo em forma de barril que contém lentes ópticas para coletar a luz de milhões de galáxias distantes. O menor desvio no alinhamento da lente pode fazer com que o instrumento fique permanentemente fora de foco. Cada peça do barril deve estar perfeitamente posicionada, portanto, a equipe do Fermilab está tomando todas as medidas para garantir sua montagem precisa.

O processo envolve uma máquina especial, manuseio meticuloso e uma boa dose de paciência.

Montagem de precisão

O dispositivo de fixação da lente é um cilindro segmentado de aproximadamente 2,5 metros de comprimento e 1,2 metros de largura - mais ou menos do tamanho de um pequeno elevador. Assim que o barril de aço pesado estiver completo, será instalado no telescópio de quatro metros Mayall no Observatório Nacional Kitt Peak, sudoeste de Tucson, Arizona.

As lentes irão coletar a luz refletida do espelho do telescópio e focalizá-la em 5, 000 fibras ópticas, através do qual a luz é transportada para detectores especiais, chamados espectrógrafos. Com a ajuda de 10 desses espectrógrafos, os cientistas podem medir a distância das galáxias.

Em maio, uma equipe de especialistas do Fermilab começou a montar os cinco segmentos do barril com cuidado, verificar se cada porca e cada parafuso estavam perfeitamente posicionados. Mas um ajuste no nível de porcas e parafusos não é suficiente. Para alcançar a precisão que os cientistas desejam, o cilindro DESI e sua estrutura interna devem ser montados com precisão dentro de 20 micrômetros incrivelmente apertados. Isso é um décimo da espessura de uma folha de papel.

Para alcançar o ajuste necessário, a equipe tem feito pequenos, ajustes críticos para o barril montado.

Alinhamento preciso

Os ajustes de barril ocorrem em uma área vazia do tamanho de um pequeno quarto. Quatro pilares altos - quase 2,10 metros de altura - ficam nos cantos do espaço.

Acima de suas cabeças, um trilho, semelhantes aos trilhos de trem, conecta os topos dos dois pilares de um lado. Um segundo trilho conecta os outros dois. Uma trilha de carruagem móvel atravessa a lacuna - como uma ponte alta atravessa um rio - conectando os dois trilhos. A própria carruagem desliza ao longo dos trilhos.

A equipe guia a carruagem de modo que ela pare logo acima do cano. A carruagem carrega um braço mecânico que aponta para o chão. Ele pode girar em todas as direções no espaço dentro dos pilares. No final do braço está um sensor altamente sensível e preciso, fixada a uma sonda motorizada articulada.

O braço com o sensor ganha vida:ele alcança o cano e começa a tatear suas superfícies. Ele procura por pontos específicos no cano - um canto, uma borda, outro marcador de superfície significativo. Quando os encontra, ele mede as coordenadas no espaço designado. Com muito cuidado e com pequenos movimentos, ele se move sobre toda a superfície do barril, medindo-se, para baixo e ao redor da superfície. Como acontece, ele registra os dados de medição e os salva para análise posterior. Jorge Montes, um dos membros da equipe, coloca marcadores estrategicamente na superfície do cano para auxiliar seus esforços de alinhamento.

Depois de fazer a medição, os cientistas devolvem o barril para uma área externa. Lá eles desmontam, realinhe todas as partes, contando com os marcadores colocados anteriormente. Eles então o remontam. Com muito cuidado, eles trazem o cano mais uma vez totalmente montado para o espaço vazio e medem novamente a precisão de sua montagem.

Comparando seu desempenho com a montagem anterior, eles aprendem quais peças, caso existam, estão desalinhados - mesmo ligeiramente - e onde melhoraram o alinhamento.

Uma maquina magica

O preciso, máquina de medição lenta que aponta os desalinhamentos é chamada de máquina de medição por coordenadas, ou CMM. O grupo que faz essas medições ponto a ponto, liderado pelo físico engenheiro do Fermilab Michael Roman, utiliza-o para garantir a montagem perfeita do cano DESI.

Com a ajuda do CMM, eles repetem todo o procedimento de montagem, medição e desmontagem repetidas vezes, sempre comparando seu desempenho com as tentativas anteriores. Quando eles alcançam seu alinhamento dentro de 10 micrômetros - cerca de um décimo da largura de um fio de cabelo humano - em um certo número de tentativas, eles estão satisfeitos.

"Desde o início sabíamos que o barril precisava de medições de alta precisão para a montagem e que seria muito grande para qualquer uma das CMMs do Fermilab realizar tais medições, "Roman disse.

"Em forte apoio ao DESI, O Fermilab comprou uma máquina para as medições dedicadas do cano, "disse o cientista Gaston Gutierrez, que é um dos líderes do projeto DESI no Fermilab.

Estável e estável

Para garantir que as medições do CMM sejam tão precisas quanto precisam ser, o CMM é instalado em uma sala com ar-condicionado, onde os cientistas monitoram e controlam a temperatura 24 horas por dia. Os materiais se expandem quando esquentam, afetando a precisão das medições do CMM.

Assim, os cientistas elaboraram as configurações de controle corretas para o sistema de controle ambiental para garantir que a temperatura nunca variasse mais de um grau em relação aos 20 graus Celsius.

Mesmo o eventual efeito de pesos pesados ​​no barril DESI, incluindo as lentes, pode ser medido com o novo CMM. Os cientistas colocam o barril DESI na máquina e medem, em seguida, adicione pesos de teste em seus lados e meça novamente o barril. A equipe pode ver como o barril encolhe ou dobra, se em tudo, e determinar se as lentes ficarão estáveis ​​quando o telescópio estiver em movimento.

A equipe do Fermilab espera concluir todas as medições do CMM no início de 2017. Em seguida, eles desmontarão o barril DESI e o enviarão para a University College London. Em Londres, seus colegas irão instalar as lentes nas estruturas de suporte. Assim que as lentes forem instaladas, o barril começará sua jornada para sua futura casa no Arizona.

Medindo a expansão do universo

Os cientistas descobriram que nosso universo está crescendo cada vez mais - sem um fim à vista. Como passas em um pão crescente, as galáxias do universo estão sendo separadas umas das outras.

A partir de medições anteriores, os cientistas têm uma espécie de governante cósmico, um comprimento padrão que remonta ao início do universo. Usando esta régua junto com o mapa DESI de alta precisão, os cientistas serão capazes de dizer a que distância as galáxias se afastaram e quanto nosso universo cresceu ao longo de sua história.

"Com o experimento DESI, queremos seguir as etapas de crescimento do nosso universo, "Gutierrez disse." Começamos a partir de hoje e retrocedemos no tempo para medir o quanto o universo se expandiu desde seus primeiros dias.

A fabricação, a montagem e operação do DESI são passos pequenos, mas muito importantes, para a compreensão precisa do universo.