Det krävdes tre himmelundersökningar – utförda vid teleskop på två kontinenter, täcker en tredjedel av den synliga himlen, och kräver nästan 1, 000 observationsnätter – för att förbereda för ett nytt projekt som kommer att skapa den största 3D-kartan över universums galaxer och få nya insikter om universums accelererande expansion.

Detta Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-projekt kommer att utforska denna expansion, driven av en mystisk egendom som kallas mörk energi, i detalj. Det kan också göra oväntade upptäckter under sitt femåriga uppdrag.

Undersökningarna, som avslutades i mars, har samlat bilder av mer än 1 miljard galaxer och är viktiga för att välja himlaobjekt att rikta in sig på med DESI, nu under uppbyggnad i Arizona.

Den senaste uppsättningen av bilddata från dessa undersökningar, känd som DR8, släpptes offentligt den 8 juli, och ett online Sky Viewer-verktyg ger en virtuell rundtur i dessa data. Ett slutgiltigt datasläpp från DESI-undersökningarna planeras senare i år.

Forskare kommer att välja ut cirka 33 miljoner galaxer och 2,4 miljoner kvasarer från den större uppsättningen objekt som avbildas i de tre undersökningarna. Kvasarer är de ljusaste föremålen i universum och tros innehålla supermassiva svarta hål. DESI kommer att rikta in sig på dessa utvalda objekt för flera mätningar efter starten, som väntas i februari 2020.

DESI kommer att mäta varje mål över en rad olika våglängder av ljus, känt som spektrum, från den valda uppsättningen galaxer upprepade gånger under loppet av sitt uppdrag. Dessa mätningar kommer att ge detaljer om deras avstånd och acceleration bort från jorden.

En samling av 5, 000 vridbara robotar, var och en bär en fiberoptisk kabel, kommer att peka på uppsättningar av förvalda himmelobjekt för att samla deras ljus (se en relaterad video) så att det kan delas upp i olika färger och analyseras med hjälp av en serie enheter som kallas spektrografer.

Tre undersökningar, 980 nätter

"Vanligtvis, när du ansöker om tid på ett teleskop får du upp till fem nätter, sa David Schlegel, en DESI-projektforskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som är ledande institution i DESI-samarbetet. "Dessa tre bildundersökningar uppgick till 980 nätter, vilket är ett ganska stort antal."

De tre bildundersökningarna för DESI inkluderar:

• Mayall z-band Legacy Survey (MzLS), genomfördes vid Mayall-teleskopet vid National Science Foundations Kitt Peak National Observatory nära Tucson, Arizona, över 401 nätter. DESI är nu under installation vid Mayall-teleskopet.
• Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS) vid Victor Blanco-teleskopet vid NSF:s Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, som varade i 204 nätter.
• Beijing-Arizona Sky Survey (BASS), som använde Steward Observatorys Bok-teleskop vid Kitt Peak National Observatory och varade i 375 nätter.

Undersökningsteam på plats - vanligtvis två DESI-projektforskare per observationsnatt för var och en av undersökningarna - tjänstgjorde i en sorts "livräddare"-roll, sa Schlegel. "När något gick fel var de där för att fixa det - för att hålla ögonen på himlen, " och forskare som arbetade på distans hjälpte också till med felsökning.

I början av mars, Eva-Maria Mueller, en postdoktor vid University of Portsmouth i Storbritannien, och Robert Blum, tidigare biträdande direktör vid National Optical Astronomy Observatory (NOAO) som hanterar undersökningsplatserna, var i tjänst med ett litet team i kontrollrummet på NSF:s Victor Blanco-teleskop på ett milhögt chilenskt berg för den sista natten av DECaLS-undersökningsbilder.

Satt flera våningar under teleskopet, Mueller och Blum tittade på bilder i realtid för att verifiera teleskopets position och fokus. Mueller, som deltog i ett femnattsskift som var hennes första observationstillfälle för DESI-undersökningarna, sa, "Det här har alltid varit en slags barndomsdröm."

Blum, som hade loggat många kvällar vid Blanco-teleskopet för DECaLS, sa, "Det är verkligen spännande att tänka på att avsluta den här fasen." Han noterade att den här sista natten var fokuserad på att "städa upp små hål" i den tidigare avbildningen. Blum tjänar nu i en ny roll som tillförordnad verksamhetschef för Large Synoptic Survey Telescope under installation i Chile.

Ny mjukvara designad för DESI-undersökningar, och exakt positioneringsutrustning på teleskopen, har hjälpt till att automatisera bildtagningsprocessen, ställa in exponeringstid och filter och kompensera för atmosfäriska störningar och andra faktorer som kan påverka bildkvaliteten, Blum noterade. Under en produktiv kväll, det var vanligt att producera cirka 150 till 200 bilder för DECaLS-undersökningen.

Coolt kosmiskt kartografiexperiment

Data från undersökningarna dirigerades till superdatorer vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som kommer att vara det stora lagret för DESI-data.

Mer än 100 forskare deltog i nattskift för att genomföra undersökningarna, sa Arjun Dey, NOAO-projektets forskare för DESI. Dey var en ledande forskare för MzLS-undersökningen och en co-lead scientist i DECaLS-undersökningen med Schlegel.

"Vi bygger en detaljerad karta över universum och mäter dess expansionshistoria under de senaste 10 till 12 miljarder åren, Dey sa. "DESI-experimentet representerar det mest detaljerade - och definitivt det coolaste - kosmiska kartografiexperimentet som har genomförts hittills. Även om avbildningen utfördes för DESI-projektet, data är allmänt tillgängliga så att alla kan njuta av himlen och utforska kosmos."

BASS-undersökning med stöd av globalt team

Xiaohui fläkt, en professor i astronomi vid University of Arizona som var medledare i BASS-undersökningen som genomfördes vid Kitt Peak's Bok Telescope, koordinerad tittartid av en internationell grupp som inkluderade medledarna professor Zhou Xu och docent Zou Hu, andra forskare från National Astronomical Observatories of China (NAOC), och forskare från University of Arizona och från hela DESI-samarbetet.

BASS producerade cirka 100, 000 bilder under fyra år. Den skannade en sektion av himlen som var ungefär 13 gånger större än den stora björnen, en del av stjärnbilden Ursa Major.

"Det här är ett bra exempel på hur ett samarbete går till, ", sa Fan. "Genom detta internationella partnerskap fick vi in ​​människor från hela världen. Det här är en trevlig förhandstitt på hur observation med DESI kommer att bli."

Fan noterade DESI-teamets snabba svar när de uppdaterade teleskopets hårdvara och mjukvara under undersökningens gång.

"Det förbättrades mycket när det gäller automatiserade kontroller och fokusering och datareduktion, " sa han. Det mesta av BASS-undersökningen avslutades i februari, med några sista bilder tagna i mars.

Nästa steg mot DESI:s färdigställande

Alla bilder som samlas in kommer att bearbetas av en matematisk kod, kallad traktor, som hjälper till att identifiera alla undersökta galaxer och mäta deras ljusstyrka.

Med den inledande testningen av det massiva korrigeringsröret, som rymmer DESIs paket med sex stora speglar, i början av april, nästa stora milstolpe för projektet blir leveransen, installation, och testning av dess fokalplan, som täcker teleskopet och inrymmer robotlägesställare.

Dey, som deltog i formativa diskussioner om behovet av ett experiment som DESI för nästan 20 år sedan, sa, "Det är ganska häpnadsväckande att vårt lilla och engagerade team kunde genomföra en så stor undersökning på så kort tid. Vi är glada över att gå vidare till nästa fas av detta projekt!"