Ett instrument utformat för att avbilda den stora gasväven som förbinder galaxer i universum har skickats från Los Angeles till Hawaii, där det kommer att integreras i W. M. Keck -observatoriet.

Instrumentet, kallad Keck Cosmic Web Imager, eller KCWI, designades och byggdes av ett team på Caltech under ledning av professor i fysik Christopher Martin. Det kommer att vara ett av de bästa instrumenten i världen för att ta spektrala bilder av kosmiska objekt – detaljerade bilder där varje pixel kan ses i alla våglängder av synligt ljus. Sådan högupplöst spektral information gör det möjligt för astronomer att studera kompositionerna, hastigheter, och massor av många föremål, som stjärnor och galaxer, på sätt som inte var möjliga tidigare.

Ett av KCWI:s huvudmål, och en passion för Martin under de senaste 30 åren, är att svara på frågan:Vad gör gasen runt galaxer?

"I årtionden, astronomer har visat att galaxer utvecklas. Nu försöker vi ta reda på hur och varför, "säger Martin." Vi vet att gasen runt galaxer i slutändan driver dem, men det är så svagt - vi har fortfarande inte kunnat titta närmare på det och förstå hur den här processen fungerar."

Martin och hans team studerar det som kallas den kosmiska banan - ett stort nätverk av gasströmmar mellan galaxer. Nyligen, forskarna har hittat bevis som stöder det som kallas kallflödesmodellen, där denna gas strömmar in i galaxernas kärnor, där den kondenserar och bildar nya stjärnor. Forskare hade förutspått att gasfilamenten först skulle strömma in i en stor ringliknande struktur runt galaxen innan de spirade in i den-exakt vad Martin och hans team hittade med hjälp av Palomar Cosmic Web Imager, en föregångare till KCWI, vid Caltechs Palomar -observatorium nära San Diego.

"Vi mätte kinematiken, eller rörelse, av gasen runt en galax och hittade en mycket stor roterande skiva ansluten till en gasfilament, "säger Martin." Det var rökpistolen för kallflödesmodellen. "

Med KCWI, forskarna kommer att titta närmare på gasfilamenten och ringliknande strukturer runt galaxer som sträcker sig från 10 till 12 miljarder ljusår bort, en epok då vårt universum var ungefär 2 till 4 miljarder år gammalt. KCWI kan inte bara ta mer detaljerade bilder än Palomar Cosmic Web Imager, den har andra framsteg som bättre spegelbeläggningar. Kombinationen av dessa förbättringar med det faktum att KCWI installeras vid ett av de två 10-meters Keck-teleskopen-världens största observatorium med några av de mörkaste kända himlen på jorden-innebär att KCWI kommer att ha en förbättrad prestanda med mer än en storleksordning över Palomar Cosmic Web Imager.

KCWI kommer att kartlägga gasen som strömmar från det intergalaktiska mediet - utrymmet mellan galaxer - till många unga galaxer, avslöjande, för första gången, det dominerande sättet för galaxbildning i det tidiga universum. Instrumentet kommer också att söka efter supergalaktiska vindar från galaxer som driver gas tillbaka in i det intergalaktiska mediet. Hur gas flödar in och ut ur bildande galaxer är den centrala öppna frågan i bildandet av kosmiska strukturer.

"Vi konstruerade KCWI för att studera mycket svaga och diffusa objekt, vår huvudsakliga tyngdpunkt ligger på det striga kosmiska nätet och interaktionen mellan galaxer och deras omgivning, "säger Mateusz (Matt) Matuszewski, instrumentforskaren för projektet.

KCWI är också designad för att vara mer ett instrument för allmänna ändamål än Palomars Cosmic Web Imager, som främst är till för studier av den kosmiska banan. Den kommer att studera allt från gasstrålar runt unga stjärnor till vindar av döda stjärnor och supermassiva svarta hål med mera. "Instrumentet är verkligen mångsidigt, "säger Matuszewski." Observatörer kan konfigurera optiken för att anpassa rumsliga och spektrala skalor och upplösningar för att passa deras intressen. "

Muttrarna och bultarna på KCWI

Forskare och ingenjörer har varit upptagna med att montera de mycket komplexa delarna av KCWI-instrumentet på Caltech sedan 2012. Instrumentet är ungefär lika stort som en glassbil och väger över 4, 000 kilo. KCWIs kännetecken är dess förmåga att fånga spektral information om objekt, som galaxer, över en bred bild. Vanligtvis, astronomer fångar spektra med hjälp av instrument som kallas spektrografer, som har smala spaltformade fönster. Spektrografen bryter isär ljuset från slitsen i var och en av färgerna som utgör målobjektet, precis som ett prisma som sprider ljus i en regnbåge. Men traditionella spektrografer kan inte användas för att fånga spektral information över en hel bild.

"Traditionella spektrografer använder flera små slitsar för att fånga många stjärnor eller kärnorna i många galaxer, "säger Martin." Nu, vi vill titta på funktioner som sträcker sig över himlen, såsom stjärnstrålar och galaxer, som har komplexa strukturer, hastigheter, och gasflöden. Om du bara kan se igenom en slits, du kan bara se en liten del av vad som pågår. Men vi vill se hela bilden. Det är därför vi behöver en bildspektrograf, en enhet som ger dig en bild för varje enskild våglängd över en vid vy."

För att skapa en spektrograf som kan avbilda mer förlängda objekt som galaxer, KCWI använder det som kallas en integrerad fältdesign, som i princip delar upp en bild i 24 slitsar, och samlar all spektral information på en gång.

"Om du tittar på något stort på himlen, det är ineffektivt att bara ha en skåra och ta dig fram över det föremålet, så en integrerad fältspektrograf kombinerar ett antal spaltformade speglar tillsammans över ett kontinuerligt synfält, "säger Patrick Morrissey, projektforskaren för KCWI som nu arbetar på JPL. "Tänk dig att titta in i en trasig spegel-den reflekterade bilden flyttas runt beroende på bitarnas vinklar. Så fungerar den integrerade fältspektrografen. En serie speglar fungerar tillsammans för att få en kvadratisk form av slitsar över en bild att visas som en enda traditionell vertikal slits. "

KCWI har den högsta spektrala upplösningen av alla integralfältspektrografer, vilket betyder att det bättre kan bryta isär regnbågen för att se fler färger, eller våglängder. Den första fasen av instrumentet, nu på väg till Keck, täcker den blå sidan av det synliga spektrumet, Spännande våglängder sträcker sig från 3500 till 5600 Ångström. En andra fas, utvidga täckningen till den röda sidan av spektrumet, ut till 10400 Ångström, kommer att byggas härnäst.

KCWI för att bestiga Mauna Kea

Efter att KCWI anländer till Hawaii den 18 januari, ingenjörer kommer att leda den upp till toppen av Mauna Kea, där Keck ligger. En serie utchecknings- och inriktningstester planeras, och kommer att följas om några månader av de första observationerna genom Keck -teleskopet.

"Det finns tågspår runt teleskopet där instrumenten är installerade, " säger Morrissey. "Det är som ett av de där gamla järnvägshusen där tåget skulle komma in och de skulle snurra det till ett tillgängligt utrymme för förvaring. Teleskopet vänder sig om, pekar på instrumentet som astronomen vill använda, och sedan rullar de på det instrumentet. Snart blir KCWI en del av teleskopet. "

KCWI finansieras av National Science Foundation, genom programmet Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), och av Heising-Simons Foundation, W.M. Keck Foundation, Caltech Division of Physics, Matematik och astronomi, och Caltech Optical Observatories.