The Dark Energy Spectroscopic Instrument, kallas DESI, har ett ambitiöst mål:att skanna mer än 35 miljoner galaxer på natthimlen för att spåra expansionen av vårt universum och tillväxten av dess storskaliga struktur under de senaste 10 miljarder åren. Med hjälp av DESI-ett projekt som leds av Lawrence Berkeley National Laboratory-hoppas forskare kunna skapa en 3D-karta över en tredjedel av natthimlen som är mer exakt och exakt än någon annan.

En exakt karta kräver att DESI själv byggs och monteras med mikrometerprecision. Fermilab, ett nationellt laboratorium för energi, bidrar med en viktig del av instrumentet:en stor, fatformad enhet som kommer att hålla optiska linser för att samla ljuset från miljontals avlägsna galaxer. Den minsta avvikelsen i linsjustering kan leda till att instrumentet blir permanent ur fokus. Varje bit av pipan måste vara perfekt placerad, så Fermilab -teamet vidtar för närvarande alla åtgärder för att säkerställa dess exakta montering.

Processen involverar en speciell maskin, noggrann hantering och en sund dos tålamod.

Precisionsmontering

Linshållaranordningen är en ungefär 8 fot lång och 4 fot bred segmenterad cylinder-ungefär lika stor som en liten hiss. När stålröret är färdigt, det kommer att installeras vid Mayall-fjärrmeterteleskopet vid Kitt Peak National Observatory, sydväst om Tucson, Arizona.

Linserna samlar ljuset som reflekteras från teleskopets spegel och fokuserar det på 5, 000 optiska fibrer, genom vilket ljuset transporteras till speciella detektorer, kallas spektrografer. Med hjälp av 10 sådana spektrografer, forskare kan mäta galaxernas avstånd.

I maj, ett team av specialister på Fermilab började försiktigt montera fatets fem segment, kontrollera att varje mutter och bult var perfekt placerade. Men en passform med muttrar och bultar räcker inte. För att uppnå den precision som forskare strävar efter, DESI -fatet och dess inre struktur måste monteras noggrant inom en otroligt snäv 20 mikrometer. Det är en tiondel av tjockleken på ett pappersark.

För att uppnå önskad passform, laget har gjort små, kritiska justeringar av det monterade fatet.

Noggrann inriktning

Fatjusteringarna sker i ett ledigt område på storlek av ett litet sovrum. Fyra höga pelare - nästan sju fot höga - står i utrymmeets hörn.

Över deras huvuden, en skena, liknande tågspår, förbinder topparna på de två pelarna på ena sidan. En andra skena förbinder de andra två. Ett rörligt vagnspår spänner över gapet - som en hög bro över en flod - som förbinder de två skenorna. Själva vagnen glider längs spåret.

Teamet styr vagnen så att den stannar precis ovanför pipan. Vagnen bär en mekanisk arm som pekar mot golvet. Den kan rotera i alla riktningar i utrymmet inom pelarna. I slutet av armen finns en mycket känslig och exakt sensor, fixerad till en ledad motoriserad sond.

Armen med sensorn kommer till liv:Den når ner till fatet och börjar känna efter sina ytor. Den söker efter specifika punkter på fatet - ett hörn, en kant, en annan signifikant ytmarkör. När den hittar dem, den mäter koordinaterna i det angivna utrymmet. Mycket noggrant och med små rörelser, den rör sig över hela pipans yta, mäter upp, ner och runt ytan. Som det gör, den registrerar mätdata och sparar dem för vidare analys. Jorge Montes, en av teammedlemmarna, placerar strategiskt markörer på fatets yta för att hjälpa deras justeringsinsatser.

Efter mätningen, forskarna återför tunnan till ett yttre område. Där tar de isär det, justera alla delar, förlitar sig på de tidigare placerade markörerna. De monterar sedan ihop det igen. Med stor omsorg tar de in den ännu mer färdigmonterade fatet i det tomma utrymmet och mäter på nytt precisionen i deras montering.

Jämför deras prestanda med deras tidigare montering, de lär sig vilka bitar, om någon, är feljusterade - till och med något - och där de förbättrade inriktningen.

En magisk maskin

Det exakta, långsamma mätmaskin som påpekar felinriktningarna kallas en koordinatmätmaskin, eller CMM. Gruppen gör dessa punkt-för-punkt-mätningar, ledd av Fermilab ingenjörsfysiker Michael Roman, använder den för att säkerställa DESI -fatets perfekta montering.

Med hjälp av CMM, de upprepar hela monteringsproceduren, mätning och demontering om och om igen, alltid jämföra sina prestationer mot tidigare försök. När de når sin inriktning inom 10 mikrometer - ungefär en tiondel av människohårets bredd - i ett visst antal försök, de är nöjda.

"Från tidigt visste vi att pipan behövde högprecisionsmätningar för monteringen och att den skulle vara för stor för någon av CMM:erna på Fermilab för att utföra sådana mätningar, "Sa Roman.

"Till stöd för DESI, Fermilab köpte en maskin för de specifika mätningarna på fatet, "sa forskaren Gaston Gutierrez, som är en av DESI -projektledarna på Fermilab.

Stabil och stabil

För att säkerställa att CMM:s mätningar är så exakta som de behöver vara, CMM är inrättat i ett luftkonditionerat rum, där forskare övervakar och kontrollerar temperaturen 24 timmar om dygnet. Material expanderar när de blir varma, påverkar noggrannheten i CMM:s mätningar.

Så forskare utarbetade rätt kontrollinställningar för miljöstyrsystemet för att säkerställa att temperaturen aldrig varierade mer än en grad från 20 grader Celsius.

Även den slutliga effekten av tunga vikter på DESI -fatet, inklusive linserna, kan mätas med den nya CMM. Forskare placerar DESI -fatet i maskinen och mäter det, tillsätt sedan testvikter på sidorna och mät pipan igen. Laget kan se hur tunnan krymper eller böjer sig, Om överhuvudtaget, och avgöra om linserna kommer att hålla fast när teleskopet är i rörelse.

Fermilab -teamet räknar med att slutföra alla CMM -mätningar i början av 2017. Sedan tar de isär DESI -fatet och skickar det till University College London. I London, deras kollegor kommer att installera linserna i stödstrukturerna. När linserna har installerats, fatet kommer att börja sin resa till sitt framtida hem i Arizona.

Mät universums expansion

Forskare har upptäckt att vårt universum växer sig större och större - utan något slut i sikte. Som russin i ett stigande bröd, universums galaxer skjuts isär från varandra.

Från tidigare mätningar, forskare har en slags kosmisk härskare, en standardlängd som går tillbaka till universums tidiga början. Med denna linjal tillsammans med DESI-kartan med hög precision, forskare kommer att kunna berätta hur långt galaxer har flyttat isär och hur mycket vårt universum har vuxit under hela sin historia.

"Med DESI -experimentet vi vill följa de växande stegen i vårt universum, "Gutierrez sa." Vi börjar från idag och går bakåt i tiden för att mäta hur mycket universum har expanderat sedan dess tidiga dagar.

Tillverkningen, montering och drift av DESI är små men mycket viktiga steg för att exakt förstå universum.