Robots mirando hacia galaxias distantes
Desde 2005, unos científicos han estado escudriñando el cielo nocturno para crear un mapa tridimensional de nuestro universo con el propósito de arrojar luz sobre uno de los mayores misterios de la física: la naturaleza e identidad de la energía oscura y la materia oscura. Ese esfuerzo está a punto de conseguir una gran actualización gracias a la instalación y prueba exitosa del Dark Energy Spectroscopic Instrument (Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura), o DESI.
Los científicos han comenzado a operar el instrumento DESI para crear un mapa tridimensional de más de 30 millones de galaxias y cuásares que les ayudará a comprender la naturaleza de la energía oscura. / Marilyn Sargent /Lawrence Berkeley National Laboratory)
Los científicos instalaron recientemente el DESI en el Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona. El dispositivo cuenta con 5.000 fibras ópticas, cada una diseñada para recoger la luz de una sola galaxia. El DESI está permitiendo a los científicos reunir 20 veces más datos que los estudios anteriores.
Un instrumento anterior en un telescopio diferente, el instrumento Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, requería que los colaboradores hicieran 1.000 agujeros en grandes placas de metal que contenían fibras en una configuración que coincidía exactamente con la posición de las galaxias conocidas en una pequeña porción del cielo nocturno. Cada vez que los científicos querían tomar imágenes de nuevas galaxias, había que perforar una nueva placa e insertar las fibras a mano.
Con el DESI, los investigadores han relegado el agotador trabajo de señalar los lugares de las galaxias a una colmena de 5.000 tubos robóticos en forma de lápiz. Los posicionadores tienen una precisión de varios micrómetros – aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano – y son capaces de moverse por sí mismos para enfocar galaxias distantes.
Las imágenes que toman no son fotografías ordinarias. Los científicos están interesados en el tipo de luz que emiten las galaxias. Todas las galaxias están en movimiento, la mayoría se alejan unas de otras debido a la expansión del universo. Y la luz de las que se alejan de nosotros se estira en la parte roja de baja frecuencia del espectro (corrimiento o desplazamiento al rojo), de la misma manera que las ondas sonoras de una sirena se estiran cuando pasa una ambulancia.
Los científicos pueden usar estas señales desplazadas al rojo para crear un mapa tridimensional de nuestro universo que se remonta a 11.000 millones de años en su pasado. Analizando la distribución de las galaxias a través del espacio y el tiempo, los científicos pueden entonces hacer inferencias sobre la naturaleza de la desconocida materia oscura que une las galaxias, y la de la energía oscura, que las separa.
Los investigadores completaron la primera ronda de pruebas con los posicionadores robóticos el pasado noviembre.
“Me complació ver que los posicionadores se movieron a donde les dijimos que fueran cuando encendimos el instrumento”, dijo Stephen Kent, un científico del Fermilab del Departamento de Energía. “Con un sistema tan complejo, nunca sabes dónde puedes encontrarte con problemas”.
En enero se alcanzó un segundo hito, cuando los posicionadores fueron apuntados con precisión hacia más de 2.000 estrellas simultáneamente.
“Ese fue el momento en que pudimos empezar a hacer ciencia, no solo ingeniería”, dijo Kent.
Durante esta fase de pruebas, los investigadores implementaron un paquete de software llamado Platemaker, que fue diseñado por Kent y el científico Eric Neilsen en el Fermilab.
El software es clave para coreografiar el movimiento de los 5.000 posicionadores robóticos simultáneamente, especialmente porque los posicionadores a veces se interponen en el camino de los demás.
“Como decisión de diseño del instrumento desde el principio, permitimos a los robots llegar a las zonas de movimiento de cada uno”, dijo Joseph Silber, un ingeniero del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley e ingeniero principal en el plano focal. “Eso significa que pueden colisionar, y no deberían hacerlo”.
Desde entonces, Kent y su equipo han estado afinando el código en el programa Platemaker para mejorar la precisión con la que se pueden situar los posicionadores.
El software guía a los posicionadores robóticos en un proceso de varios pasos para localizar galaxias. Primero, el plano focal – una gran estructura metálica que mantiene los posicionadores en su lugar – debe apuntar a la porción justa del cielo. Así como los antiguos navegantes marítimos usaban la posición de las estrellas para guiar su camino, 10 cámaras de alta resolución incrustadas en el plano focal capturan y analizan la luz de las estrellas, lo que permite a los investigadores orientar el telescopio.
Estos movimientos para posicionar el plano focal tienen que ser increíblemente precisos para que cada fibra reciba la mayor cantidad de luz que pueda de su galaxia asignada. Si nos desviamos un poco del objetivo, la fibra solo se llenará parcialmente con la luz de su galaxia. Pero cuando se posiciona tal como está diseñada, cada fibra se llenará completamente con la luz de su galaxia, con un mínimo ruido de fondo.
Una vez que el telescopio está apuntando en la dirección correcta, los posicionadores robóticos empiezan un intrincado vals mecánico, mirando al cielo profundamente para detectar fuentes de luz demasiado débiles para que los ojos humanos las vean.
Su alto grado de precisión les permite llegar a la galaxia deseada, pero el ángulo puede estar ligeramente desviado para algunos. Para solucionar esto, el DESI tiene una cámara CCD instalada en el espejo primario del telescopio, que mira hacia el plano focal. Los investigadores usan una fuente de luz incorporada para iluminar las fibras incrustadas en los posicionadores robóticos. Las fibras proyectan los pequeños puntos de luz resultantes hacia la cámara CCD, que luego los visualiza. El software Platemaker compara las posiciones de las fibras en las imágenes con el lugar al que deberían ser apuntadas, basándose en detallados mapas estelares de estudios anteriores.
El software calcula entonces cuán lejos está cada posicionador del objetivo deseado, después de lo cual otro sistema puede moverlo el resto del camino hacia su galaxia designada.
“Es un proceso de modelado muy complicado, que nos ha llevado unos cuantos años idear”, dijo Kent.
Con el trabajo más difícil ahora completado, los investigadores, que actualmente están teletrabajando, planean terminar de probar el software cuando regresen al observatorio.
El DESI está programado para operar por un total de cinco años, durante los cuales medirá los desplazamientos al rojo de más de 30 millones de galaxias y cuásares (un tipo de agujero negro masivo). Los científicos podrán entonces usar esta información para determinar si y cómo la concentración de energía oscura ha cambiado a lo largo de la historia de nuestro universo.
