El instrumento espectroscópico de energía oscura, llamado DESI, tiene un objetivo ambicioso:escanear más de 35 millones de galaxias en el cielo nocturno para rastrear la expansión de nuestro universo y el crecimiento de su estructura a gran escala durante los últimos 10 mil millones de años. Usando DESI, un proyecto dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los científicos esperan crear un mapa tridimensional de un tercio del cielo nocturno que sea más exacto y preciso que cualquier otro.

Un mapa preciso requiere que DESI se construya y se monte con precisión micrométrica. Fermilab un laboratorio nacional del Departamento de Energía, está aportando una pieza clave del instrumento:una gran, Dispositivo en forma de barril que sostendrá lentes ópticas para recolectar la luz de millones de galaxias distantes. La desviación más pequeña en la alineación de la lente podría provocar que el instrumento esté permanentemente desenfocado. Cada pieza del cañón debe estar perfectamente colocada, por eso, el equipo de Fermilab está tomando todas las medidas para garantizar su montaje preciso.

El proceso involucra una máquina especial, manejo meticuloso y una buena dosis de paciencia.

Montaje de precisión

El dispositivo de sujeción de lentes es un cilindro segmentado de aproximadamente 8 pies de largo y 4 pies de ancho, aproximadamente del tamaño de un pequeño elevador. Una vez que el enorme barril de acero esté completo, se instalará en el telescopio Mayall de cuatro metros en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, al suroeste de Tucson, Arizona.

Las lentes recogerán la luz reflejada por el espejo del telescopio y la enfocarán en 5, 000 fibras ópticas, a través del cual se transporta la luz a detectores especiales, llamados espectrógrafos. Con la ayuda de 10 espectrógrafos de este tipo, los científicos pueden medir la distancia de las galaxias.

En Mayo, un equipo de especialistas en Fermilab comenzó a ensamblar los cinco segmentos del barril con cuidado, comprobando que cada tuerca y tornillo estuvieran perfectamente situados. Pero un ajuste a nivel de tuercas y tornillos no es suficiente. Para lograr la precisión que buscan los científicos, el barril DESI y su estructura interna deben ensamblarse con precisión dentro de unos 20 micrómetros increíblemente ajustados. Eso es una décima parte del grosor de una hoja de papel.

Para lograr el ajuste requerido, el equipo se ha ido haciendo pequeño, ajustes críticos al cañón ensamblado.

Alineación precisa

Los ajustes del barril se llevan a cabo en un área vacía del tamaño de un dormitorio pequeño. Cuatro pilares altos, de casi dos metros y medio de alto, se encuentran en las esquinas del espacio.

Sobre sus cabezas, un riel, similar a las vías del tren, conecta las cimas de los dos pilares en un lado. Un segundo riel conecta los otros dos. Una vía de carruaje móvil atraviesa la brecha, como un puente alto atraviesa un río, conectando los dos rieles. El propio carruaje se desliza por la vía.

El equipo guía el carro para que se detenga justo encima del cañón. El carro lleva un brazo mecánico que apunta hacia el suelo. Puede girar en todas las direcciones en el espacio dentro de los pilares. Al final del brazo hay un sensor muy sensible y preciso, fijado a una sonda articulada motorizada.

El brazo con el sensor cobra vida:llega hasta el cañón y comienza a palpar sus superficies. Busca puntos específicos en el cañón:una esquina, un borde, otro marcador de superficie importante. Cuando los encuentre, mide las coordenadas en el espacio designado. Con mucho cuidado y con pequeños movimientos, se mueve por toda la superficie del cañón, Midiendo, hacia abajo y alrededor de la superficie. Como lo hace, registra los datos de medición y los guarda para su posterior análisis. Jorge Montes, uno de los miembros del equipo, coloca estratégicamente marcadores en la superficie del cañón para ayudar en sus esfuerzos de alineación.

Después de realizar la medición, los científicos devuelven el barril a un área exterior. Allí lo desmontan, realinear todas las partes, confiando en los marcadores previamente colocados. Luego lo vuelven a montar. Con mucho cuidado, llevan el cañón una vez más completamente ensamblado al espacio vacío y miden nuevamente la precisión de su ensamblaje.

Comparando su desempeño con su montaje anterior, aprenden qué piezas, Si alguna, están desalineados, incluso levemente, y donde mejoraron la alineación.

Una maquina magica

El preciso La máquina de medición de movimiento lento que señala las desalineaciones se llama máquina de medición de coordenadas. o CMM. El grupo que realiza estas mediciones punto por punto, dirigido por el físico de ingeniería del Fermilab Michael Roman, lo utiliza para asegurar el perfecto ensamblaje del cañón DESI.

Con la ayuda del CMM, repiten todo el procedimiento de montaje, medición y desmontaje una y otra vez, siempre comparando su rendimiento con los intentos anteriores. Cuando alcanzan su alineación dentro de los 10 micrómetros, aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano, en un cierto número de intentos, están satisfechos.

"Desde el principio sabíamos que el barril necesitaba mediciones de alta precisión para el ensamblaje y que sería demasiado grande para que cualquiera de las MMC del Fermilab realizara tales mediciones". "Dijo Roman.

"En fuerte apoyo a DESI, Fermilab compró una máquina para las medidas específicas en el barril, "dijo el científico Gastón Gutiérrez, quien es uno de los líderes del proyecto DESI en Fermilab.

Estable y estable

Para garantizar que las medidas de la MMC sean tan precisas como deben ser, la CMM está instalada en una habitación con aire acondicionado, donde los científicos monitorean y controlan la temperatura las 24 horas del día. Los materiales se expanden cuando se calientan, afectando la precisión de las mediciones de CMM.

Entonces, los científicos trabajaron en la configuración de control correcta para el sistema de control ambiental para asegurar que la temperatura nunca variara más de un grado de 20 grados Celsius.

Incluso el efecto eventual de pesos pesados ​​en el cañón DESI, incluyendo las lentes, se puede medir con la nueva CMM. Los científicos colocan el barril DESI en la máquina y lo miden, luego agregue pesos de prueba en sus lados y vuelva a medir el cañón. El equipo puede ver cómo el cañón se contrae o se dobla, como mucho, y determine si las lentes se mantendrán estables cuando el telescopio esté en movimiento.

El equipo de Fermilab espera terminar todas las mediciones de CMM a principios de 2017. Luego, desmontarán el barril DESI y lo enviarán al University College London. En Londres, sus colegas instalarán las lentes en las estructuras de soporte. Una vez instaladas las lentes, el barril comenzará su viaje hacia su futuro hogar en Arizona.

Midiendo la expansión del universo

Los científicos han descubierto que nuestro universo se hace cada vez más grande, sin un final a la vista. Como pasas en una hogaza de pan creciente, las galaxias del universo se están separando unas de otras.

De mediciones anteriores, los científicos tienen una especie de gobernante cósmico, una longitud estándar que se remonta a los comienzos del universo. Usando esta regla junto con el mapa DESI de alta precisión, los científicos podrán decir cuánto se han alejado las galaxias y cuánto ha crecido nuestro universo a lo largo de su historia.

"Con el experimento DESI, queremos seguir los pasos crecientes de nuestro universo, ", Dijo Gutiérrez." Comenzamos desde hoy y retrocedemos en el tiempo para medir cuánto se ha expandido el universo desde sus primeros días.

La fabricación El ensamblaje y el funcionamiento de DESI son pasos pequeños pero muy importantes para comprender con precisión el universo.