Sedan 2005, forskare har skannat natthimlen för att skapa en tredimensionell karta över vårt universum i syfte att kasta ljus över ett av fysikens största mysterier:mörk energis och mörk materias natur och identitet. Den ansträngningen är på väg att få en massiv uppgradering med den framgångsrika installationen och testningen av Dark Energy Spectroscopic Instrument, eller DESI.

Forskare installerade nyligen DESI vid Kitt Peak National Observatory i Arizona. Enheten har 5, 000 optiska fibrer, var och en designad för att samla in ljus från en enda galax. DESI gör det möjligt för forskare att samla in 20 gånger mer data än tidigare undersökningar.

Ett tidigare instrument på ett annat teleskop, instrumentet Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, krävde medarbetare att borra 1, 000 hål i stora metallplattor som höll fibrer i en konfiguration som exakt matchade positionen för kända galaxer på en liten del av natthimlen. Varje gång forskare ville avbilda nya galaxer, en ny platta måste borras och fibrerna föras in för hand.

Med DESI, Forskare har förvisat det ansträngande arbetet med att lokalisera galaxerna till en kupa på 5, 000 robotpennformade rör. Positionerarna har en precision på flera mikrometer – ungefär en tiondel av ett människohårs bredd – och kan röra sig på egen hand för att fokusera på avlägsna galaxer.

Bilderna de tar är inte vanliga fotografier. Forskare är istället intresserade av vilken typ av ljus galaxerna sänder ut. Alla galaxer är i rörelse, mestadels flyttar sig ifrån varandra på grund av universums expansion. Och ljuset från de som rör sig bort från oss sträcks ut i lågfrekventa, röd del av spektrumet, ungefär på samma sätt som ljudvågor från en siren sträcks ut när en ambulans kör förbi dig.

Forskare kan använda dessa rödförskjutna signaler för att skapa en tredimensionell karta över vårt universum som sträcker sig 11 miljarder år tillbaka i dess begynnande förflutna. Genom att analysera fördelningen av galaxer genom rum och tid, forskare kan sedan dra slutsatser om naturen hos den okända mörka materien som drar samman galaxer och mörk energis natur, som trycker isär dem.

Forskare avslutade den första omgången av tester på robotlägesställare i november förra året.

"Jag var glad att se att lägesställare flyttade dit vi sa åt dem att gå när vi slog på instrumentet, sa Stephen Kent, en forskare vid Institutionen för energis Fermilab. "Med ett så här komplext system, du vet aldrig var du kan stöta på problem."

En andra milstolpe uppnåddes i januari när lägesställaren exakt pekade på över 2, 000 stjärnor samtidigt.

"Det var ögonblicket vi kunde börja arbeta med vetenskap, inte bara teknik, sa Kent.

Under denna testfas, forskare implementerade ett mjukvarupaket som heter Platemaker, som designades av Kent och forskaren Eric Neilsen vid Fermilab.

Mjukvaran är en nyckelspelare i att koreografera rörelsen för alla 5, 000 robotlägesställare samtidigt, speciellt eftersom positionerarna ibland kan komma i vägen för varandra.

"Som ett designbeslut för instrumentet från början, vi låter robotarna nå in i varandras patrullzoner, sade Joseph Silber, ingenjör vid Lawrence Berkeley National Laboratory och huvudingenjör på fokalplanet. "Det betyder att de kan kollidera, och det borde de inte."

Sedan dess, Kent och hans team har finjusterat koden i Platemaker för att förbättra noggrannheten som lägesställare kan lokaliseras till.

Programvaran guidar robotpositionerarna i en flerstegsprocess för att lokalisera galaxer. Först, fokalplanet – en stor metallisk struktur som håller positionerarna på plats – måste riktas mot precis rätt del av himlen. Precis som gamla sjöfartsnavigatörer skulle använda stjärnornas position för att vägleda sin väg, 10 högupplösta kameror inbäddade i fokalplanet fångar och analyserar ljus från stjärnor, som gör det möjligt för forskare att orientera teleskopet.

Dessa rörelser för att positionera fokalplanet måste vara otroligt exakta för att varje fiber ska få så mycket ljus som den kan från sin tilldelade galax. Knuffade till och med lite utanför målet, och fibern kommer endast att fyllas delvis med sin galaxs ljus. Men när den är placerad som designad, varje fiber kommer att fyllas helt med ljuset från sin galax, med minimal bakgrund.

När teleskopet pekar i rätt riktning, robotpositionerarna börjar en intrikat mekanisk vals, kikar djupt upp i himlen för att upptäcka ljuskällor som är alldeles för svaga för mänskliga ögon att se.

Deras höga precision tar dem större delen av vägen till den önskade galaxen, men vinkeln kan fortfarande vara något för vissa. För att få dem resten av vägen, DESI har en CCD-kamera installerad vid teleskopets primärspegel, som tittar upp mot fokalplanet. Forskare använder en inbyggd ljuskälla för att belysa fibrerna som är inbäddade i robotpositionerarna. Fibrerna projicerar de resulterande små ljuspunkterna till CCD-kameran, som sedan avbildar dem. Platemaker-mjukvaran jämför fibrernas positioner i bilderna med var de egentligen ska pekas baserat på detaljerade stjärndiagram från tidigare undersökningar.

Programvaran beräknar sedan hur långt borta varje lägesställare är från det önskade målet, varefter ett annat system kan flytta den resten av vägen mot sin utsedda galax.

"Det är en mycket komplicerad modelleringsprocess, som har tagit oss några år att ta reda på, sa Kent.

Med det tuffaste arbetet nu avslutat, forskare, som för närvarande distansarbetar, planerar att avsluta testningen av programvaran när de återvänder till platsen.

DESI är planerad att fungera i totalt fem år, under vilken tid kommer den att mäta rödförskjutningarna för över 30 miljoner galaxer och kvasarer – en typ av massiva svarta hål. Forskare kan sedan använda denna information för att avgöra om och hur koncentrationen av mörk energi har förändrats genom vårt universums historia.