DESI abre seus 5.000 olhos para capturar as cores do cosmos

05 de novembro de 2019 | LIneA

Um novo instrumento montado no telescópio Mayall, no Arizona capturou suas primeiras imagens no dia 22 de outubro, através de seus 5.000 “olhos” de fibra óptica apontadas para o céu noturno. Foi o primeiro teste do instrumento espectroscópico de energia escura, conhecido como DESI.

O instrumento foi projetado para explorar o mistério da energia escura, que compõe cerca de 68% do universo e está acelerando sua expansão. Os componentes do DESI são projetados para apontar automaticamente para conjuntos pré-selecionados de galáxias, reunir sua luz e depois dividi-la em faixas estreitas de cores para mapear com precisão sua distância à Terra e medir o quanto o universo se expandiu enquanto essa luz viajou até nós. Em condições ideais, o DESI pode observar um conjunto de 5.000 galáxias a cada 20 minutos.

Figura 1: Visão das galáxias e outros objetos coletados por uma série de pesquisas em preparação para o DESI. Créditos da imagem: DESI Legacy Imaging Surveys.

O marco mais recente foi a realização dos testes finais do DESI em direção ao início formal das observações no início de 2020. Como uma poderosa máquina do tempo, o DESI examinará profundamente o desenvolvimento inicial do universo – cerca de 11 bilhões de anos atrás – para criar o mapa 3D mais detalhado do mesmo.

Ao mapear a distância para 35 milhões de galáxias e 2,4 milhões de quasares em um terço da área do céu ao longo de cinco anos, o DESI nos ensinará mais sobre energia escura. Os quasares, entre os objetos mais brilhantes do universo, permitem que o DESI observe profundamente o passado do universo. O DESI fornecerá medições muito precisas da taxa de expansão do universo. A gravidade diminuiu essa taxa de expansão no universo primitivo, embora a energia escura tenha sido responsável por acelerar sua expansão em tempos mais recentes.

“Depois de uma década de planejamento, instalação e montagem, estamos muito satisfeitos que a DESI possa começar em breve sua busca para desvendar o mistério da energia escura”, disse o diretor do projeto, Michael Levi, do Departamento de Energia do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a principal instituição envolvida na construção e operação do instrumento. “A maior parte da matéria e energia do universo é sombria e desconhecida, e experimentos da próxima geração são nossa melhor aposta para desvendar esses mistérios”, acrescentou Levi. “Estou emocionado ao ver esse novo experimento ganhar vida”.

“Com o DESI, estamos combinando um instrumento moderno com um venerável telescópio antigo para criar uma máquina de pesquisa de última geração”, disse Lori Allen, diretora do Observatório Nacional Kitt Peak no Laboratório National Optical-Infrared Astronomy Research.

O plano focal do DESI, que carrega 5.000 posicionadores robóticos (Figura 2) que giram em uma “dança coreografada” para se concentrar individualmente nas galáxias, fica no topo do telescópio. Esses pequenos robôs – cada um com um cabo de fibra óptica com a largura média de um cabelo humano que capta a luz – servem como olhos do DESI. Os posicionadores levam cerca de 2 segundos para girar para uma nova sequência de galáxias alvo, permitindo mapear cerca de 20 vezes mais objetos do que qualquer experimento anterior.

Figura 2: Plano focal totalmente instalado da DESI, que possui 5.000 posicionadores robóticos automatizados, cada um carregando um cabo de fibra óptica para reunir a luz das galáxias. Créditos da imagem: DESI Collaboration.

Entre as chegadas mais recentes ao Kitt Peak, está a coleção de espectrógrafos projetados para dividir a luz coletada em três faixas de cores separadas para permitir medições precisas de distância das galáxias observadas em uma ampla gama de cores. Esses espectrógrafos, que permitem que os olhos robóticos do DESI “vejam” até galáxias distantes e fracas, são projetados para medir o desvio para o vermelho, que é uma mudança na cor dos objetos para comprimentos de onda mais longos e vermelhos devido ao movimento dos objetos para longe de nós. Atualmente, existem oito espectrógrafos instalados, com os dois finais chegando antes do final do ano. Para conectar o plano focal aos espectrógrafos, localizados abaixo do telescópio, o DESI está equipado com cerca de 250 km de cabos de fibra óptica.

“Este é um momento muito emocionante”, disse Nathalie Palanque-Delabrouille, porta-voz do DESI e pesquisadora de astrofísica da Comissão de Energia Atômica da França (CEA), que participou do processo de seleção para determinar quais galáxias e outros objetos o DESI observará. “O instrumento está todo lá. Foi muito emocionante fazer parte disso desde o início”, disse ela. “Este é um avanço muito significativo comparado às experiências anteriores. Ao olhar para objetos muito distantes de nós, podemos realmente mapear a história do universo e ver do que o universo é composto olhando para objetos muito diferentes de diferentes épocas”. A instituição de Palanque-Delabrouille, CEA, contribuiu com um sistema de refrigeração especializado para otimizar o desempenho dos sensores de luz (conhecidos como CCDs ou dispositivos acoplados a carga) que permitem a ampla faixa de amostragem de cores da DESI.

Gregory Tarlé, professor de física da Universidade de Michigan (UM), liderou as equipes de estudantes que montaram os posicionadores robóticos para DESI e componentes relacionados disse que é gratificante chegar a um estágio no projeto em que todos os componentes complexos da DESI estão funcionando juntos. A universidade entregou um total de 7.300 posicionadores robóticos, incluindo peças de reposição. Durante o pico de produção, as equipes produziam cerca de 50 posicionadores por dia. “Foi um processo e tanto”, disse Tarlé. “Estávamos no limite de precisão para essas peças de produção.”

Os posicionadores foram instalados nas pétalas do plano focal no Berkeley Lab e, após a montagem e o teste, as pétalas concluídas foram enviadas para Kitt Peak e instaladas uma de cada vez no Telescópio Mayall.

Figuras 3 e 4: Máquina utilizada para instalar uma “pétala” em forma de cunha no plano focal da DESI, instalado no Telescópio Mayall, no Observatório Nacional Kitt Peak, perto de Tucson, Arizona. Créditos da imagem: Christian Soto.

Agora que o trabalho duro de construir o DESI está em grande parte concluído, Tarlé disse que está ansioso pelas descobertas do DESI. “Quero descobrir qual é a natureza da energia escura”, disse ele. “Finalmente, tentamos realmente entender a natureza dessas coisas que dominam o universo.”

A colaboração DESI tem participação de quase 500 pesquisadores em 75 instituições em 13 países. Do Brasil participam seis pesquisadores graças ao apoio do LIneA e do INCT do e-Universo.

LIneA e o INCT do e-Universo tem como missão apoiar a participação de pesquisadores associados a instituições brasileiras em grandes levantamentos astronômicos, como os projetos Dark Energy Survey (DES), Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), e o LargeSynoptic Survey Telescope (LSST). O LIneA, criado em 2010, é um laboratório apoiado pelo Observatório Nacional (ON), pelo Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) e pela Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP). As atividades do LIneA vem sendo apoiadas ao longo dos anos pelo MCTIC, FINEP, FAPERJ, FAPERGS e a FAPESP. O programa INCT tem o apoio do CNPq, CAPES, e FAPERJ.

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