En femårig strävan att kartlägga universum och reda ut mysterierna med "mörk energi" börjar officiellt idag, 17 maj, vid Kitt Peak National Observatory nära Tucson, Arizona. För att slutföra sitt uppdrag, Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) kommer att fånga och studera ljuset från tiotals miljoner galaxer och andra avlägsna objekt i universum.

DESI är ett internationellt vetenskapligt samarbete som förvaltas av Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory, eller Berkeley Lab, med primär finansiering från DOE:s Office of Science.

Genom att samla ljus från cirka 30 miljoner galaxer, Projektforskare säger att DESI kommer att hjälpa dem att konstruera en 3D-karta över universum med oöverträffade detaljer. Uppgifterna kommer att hjälpa dem att bättre förstå den frånstötande kraft som är associerad med "mörk energi" som driver accelerationen av universums expansion över stora kosmiska avstånd.

Jim Siegrist, biträdande direktör för högenergifysik vid DOE, säger "Vi är glada över att se starten av DESI, det första nästa generations mörka energiprojekt som påbörjar sin vetenskapliga undersökning. Tillsammans med sitt primära uppdrag av mörk energistudier, datauppsättningen kommer att vara till nytta av det bredare forskarsamhället för en mängd astrofysikstudier."

Vad skiljer DESI från tidigare skyundersökningar? Projektledaren, Berkeley Labs Michael Levi, sa, "Vi kommer att mäta 10 gånger fler galaxspektra än någonsin. Dessa spektra ger oss en tredje dimension." Istället för tvådimensionella bilder av galaxer, kvasarer och andra avlägsna föremål, han förklarade, instrumentet samlar ljus, eller spektra, från kosmos så att det "blir en tidsmaskin där vi placerar dessa objekt på en tidslinje som sträcker sig så långt tillbaka som 11 miljarder år sedan."

"DESI är det mest ambitiösa av en ny generation av instrument som syftar till att bättre förstå kosmos - i synnerhet, dess mörka energikomponent, " sa projektets medtalesperson Nathalie Palanque-Delarouille, en kosmolog vid Frankrikes kommission för alternativ energi och atomenergi, eller CEA. Hon sa att det vetenskapliga programmet – inklusive hennes eget intresse för kvasarer – kommer att tillåta forskare att med precision ta upp två primära frågor:vad är mörk energi; och i vilken grad gravitationen följer lagarna för allmän relativitet, som utgör grunden för vår förståelse av kosmos.

"Det har varit en lång resa från de första stegen som vi tog för nästan ett decennium sedan för att utforma undersökningen, sedan för att bestämma vilka mål som ska observeras, och nu att ha instrumenten så att vi kan uppnå dessa vetenskapsmål, " Palanque-Delarouille, sa. "Det är väldigt spännande att se var vi står idag."

Den formella starten av DESI:s femåriga undersökning följer efter en fyra månader lång provkörning av dess anpassade instrumentering som fångade 4 miljoner spektra av galaxer - mer än den kombinerade produktionen av alla tidigare spektroskopiska undersökningar.

DESI-instrumentet finns vid det eftermonterade Nicholas U. Mayall 4-metersteleskopet vid Kitt Peak National Observatory, ett program från National Science Foundations NOIRLab. Instrumentet inkluderar ny optik som ökar teleskopets synfält och inkluderar 5, 000 robotstyrda optiska fibrer för att samla in spektroskopisk data från lika många objekt i teleskopets synfält.

"Vi använder inte de största teleskopen, " sa Berkeley Labs David Schlegel, som är DESI-projektforskare. "Det är att instrumenten är bättre och mycket multiplexerade, vilket innebär att vi kan fånga ljuset från många olika föremål samtidigt."

Faktiskt, teleskopet "pekar bokstavligen på 5, 000 olika galaxer samtidigt, " sa Schlegel. En given natt, han förklarar, när teleskopet flyttas till en målposition, de optiska fibrerna är i linje för att samla in ljus från galaxer när det reflekteras från teleskopspegeln. Därifrån, ljuset matas in i en bank av spektrografer och CCD-kameror för vidare bearbetning och studier.

"Det är verkligen en fabrik som vi har - en spektrafabrik, " sa enkätvalideringsledaren, Christophe Yeche, också en kosmolog på CEA. "Vi kan samla in 5, 000 spektra var 20:e minut. I en god natt, vi samlar in spektra från cirka 150, 000 föremål."

"Men det är inte bara instrumenthårdvaran som fick oss till denna punkt - det är också instrumentmjukvaran, DESI:s centrala nervsystem, sade Klaus Honscheid, en professor i fysik vid Ohio State University som ledde designen av DESI-instrumentets styr- och övervakningssystem. Han krediterar massor av människor i sin grupp och runt om i världen som har byggt och testat tusentals DESI:s komponenter, de flesta är unika för instrumentet.

Spektra som samlas in av DESI är de komponenter av ljus som motsvarar regnbågens färger. Deras egenskaper, inklusive våglängd, avslöja information såsom den kemiska sammansättningen av föremål som observeras samt information om deras relativa avstånd och hastighet.

När universum expanderar, galaxer rör sig bort från varandra, och deras ljus förskjuts till längre, rödare våglängder. Ju längre bort galaxen, desto större är dess "rödförskjutning". Genom att mäta galaxens rödförskjutningar, DESI-forskare kommer att skapa en 3D-karta över universum. Den detaljerade fördelningen av galaxer på kartan förväntas ge nya insikter om mörk energis inflytande och natur.

"Mörk energi är en av de viktigaste vetenskapliga drivkrafterna för DESI, " sa projektets medtalesperson Kyle Dawson, professor i fysik och astronomi vid University of Utah. "Målet är inte så mycket att ta reda på hur mycket det finns - vi vet att cirka 70% av energin i universum idag är mörk energi - utan att studera dess egenskaper."

Universum expanderar i en takt som bestäms av dess totala energiinnehåll, förklarar Dawson. När DESI-instrumentet ser ut i rum och tid, han säger, "vi kan bokstavligen ta ögonblicksbilder idag, i går, 1 miljard år sedan, För två miljarder år sedan – så långt tillbaka i tiden som möjligt. Vi kan sedan ta reda på energiinnehållet i dessa ögonblicksbilder och se hur det utvecklas."