Mappare l’universo in 3d alla ricerca della materia oscura

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Aperti 5000 occhi per mappare l‘universo in 3D del telescopio Desi, un telescopio per l’energia oscura. Lo scorso 22 ottobre Desi, il Dark Energy Spectroscopic Instrument, ha rivolto i suoi 5000 occhi robotici in fibra ottica verso il cielo notturno, per catturare le prime immagini della luce proveniente dalla galassia del Triangolo e farne gli spettri. È stato il primo test dello strumento integrato, che sarà in grado di misurare la distanza di 35 milioni di galassie e 2.4 milioni di quasar

Il 22 ottobre, i 5000 occhi spettroscopici di Desi hanno raccolto la luce emessa dalla galassia Triangolo. La luce proveniente da ogni singolo cavo in fibra ottica (punto rosso) è divisa in uno spettro (in basso) che rivela le impronte digitali degli elementi presenti nella galassia e aiuta a misurare la distanza della galassia stessa. Crediti: Desi Collaboration, Legacy Surveys, Nasa / Jpl-Caltech / Ucla
Il 22 ottobre, i 5000 occhi spettroscopici di Desi hanno raccolto la luce emessa dalla galassia Triangolo. La luce proveniente da ogni singolo cavo in fibra ottica (punto rosso) è divisa in uno spettro (in basso) che rivela le impronte digitali degli elementi presenti nella galassia e aiuta a misurare la distanza della galassia stessa. Crediti: Desi Collaboration, Legacy Surveys, Nasa / Jpl-Caltech / Ucla

Il 22 ottobre, un nuovo strumento installato nel piano focale del Nicholas U. Mayall Telescope ha rivolto i suoi 5000 occhi robotici in fibra ottica verso il cielo notturno, per catturare le prime immagini della luce di una galassia. È stato il primo test del Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi), progettato per indagare la misteriosa energia oscura, che sembra costituire circa il 68 per cento dell’universo e ne sta accelerando l’espansione.

I componenti di Desi sono stati progettati per puntare automaticamente insiemi di galassie prestabiliti, raccogliere la loro luce e farne lo spettro, ossia dividerla in strette bande di colore al fine di misurare con precisione la distanza dalla Terra di questi oggetti celesti e riuscire a stabilire di quanto l’universo si è espanso mentre la luce ha viaggiato verso la Terra.

Il numero di galassie che lo strumento potrà osservare è impressionante: in condizioni ideali, Desi sarà in grado di osservare 5000 galassie ogni 20 minuti.

Desi è stato installato nella cupola del Mayall Telescope su Kitt Peak vicino a Tucson, in Arizona. Crediti: Desi Collaboration
Desi è stato installato nella cupola del Mayall Telescope su Kitt Peak vicino a Tucson, in Arizona. Crediti: Desi Collaboration

L’installazione di Desi è iniziata nel febbraio 2018 al Nicholas U. Mayall Telescope, un telescopio riflettore di 4 metri di diametro posizionato al Kitt Peak National Observatory in Arizona, vicino a Tucson. Quest’ultima pietra miliare segna l’inizio della fase finale dei test di Desi, verso l’avvio ufficiale delle osservazioni previsto per l’inizio del 2020.

Come una potente macchina del tempo, Desi scruterà l’universo in profondità, la sua infanzia e le prime fasi del suo sviluppo, fino a circa 11 miliardi di anni fa, per creare la mappa 3D più dettagliata di sempre dell’universo. Misurando la distanza di 35 milioni di galassie e 2.4 milioni di quasar, localizzati su un terzo dell’area del cielo, nel corso di cinque anni, Desi fornirà misure molto precise della velocità di espansione dell’universo.

«Desi ci fornirà una mappa tridimensionale delle galassie, dei quasar e dei gas intergalattici presenti su una parte molto ampia dell’universo», spiega Xiaohui Fan, professore di astronomia presso l’Osservatorio Steward. «Guardando quella mappa, potremo vedere come è cambiata la struttura dell’universo al passare del tempo cosmico, e questo ci darà un’idea di quanto velocemente l’universo si stia espandendo, in un dato momento».

Fan ha spiegato che Desi può mappare un numero di quasar e galassie 20 volte superiore rispetto alle survey precedenti, che si sono limitate a un numero piuttosto ridotto di istantanee nel corso della storia del cosmo. «Questa survey coprirà la sua storia quasi ininterrottamente e ciò ci permetterà di misurare l’effetto dell’energia oscura con una precisione molto migliore rispetto a prima».

Gli scienziati dell’Università dell’Arizona hanno contribuito a gettare le basi del progetto Desi, conducendo una survey di imaging che è stata utilizzata per identificare gli obiettivi su cui Desi allenerà i suoi occhi robotici. La survey è stata completata utilizzando più di 360 notti di osservazione sul Bok Telescope, che si trova accanto al Mayall Telescope al Kitt Peak.

La “prima luce” di Dasi, in aprile: immagine della Whirlpool Galaxy, nota anche come Messier 51. Questa immagine è stata ottenuta la prima notte di osservazione con Desi Commissioning Instrument installato sul Mayall Telescope, presso l’Osservatorio Nazionale Kitt Peak a Tucson, in Arizona; per catturare la luce rossa dalla galassia è stato utilizzato un filtro in banda R. Crediti: Desi Collaboration
La “prima luce” di Dasi, in aprile: immagine della Whirlpool Galaxy, nota anche come Messier 51. Questa immagine è stata ottenuta la prima notte di osservazione con Desi Commissioning Instrument installato sul Mayall Telescope, presso l’Osservatorio Nazionale Kitt Peak a Tucson, in Arizona; per catturare la luce rossa dalla galassia è stato utilizzato un filtro in banda R. Crediti: Desi Collaboration

La collaborazione Desi è molto estesa e vede la partecipazione di circa 500 ricercatori di 75 istituzioni in 13 paesi. «Con Desi stiamo combinando uno strumento moderno con un vecchio e venerando telescopio, per creare una macchina da survey all’avanguardia», ha affermato Lori Allen, direttore del Kitt Peak National Observatory.

Negli ultimi 18 mesi, uno stuolo di componenti di Desi sono stati spediti sul sito da istituzioni di tutto il mondo e installati al telescopio. Tra i primi arrivati ​​c’era una serie di lenti assemblate  in una grande botte d’acciaio. Questo barilotto correttore è stato posizionato sopra lo specchio primario di 4 metri del telescopio Mayall e permette di ottenere un campo di vista più ampio. Le lenti, ognuna delle quali misura circa un metro di diametro, sono state testate con successo ad aprile.

Il piano focale di Desi, che comprende mezzo milione di singole parti, è organizzato in una serie di 10 petali che contengono ciascuno 500 posizionatori e una piccola telecamera per aiutare il telescopio a puntare e mettere a fuoco. I 5000 posizionatori si trovano sopra al telescopio, e ruotano in una “danza” coreografica per focalizzarsi individualmente sulle galassie. Ognuno dei piccoli occhi robotici di Desi è collegato a un cavo in fibra ottica, della larghezza media di un capello umano. I posizionatori impiegano circa 10 secondi per ruotare verso una nuova sequenza di galassie. Con la sua velocità di rilevamento senza precedenti, Desi sarà in grado di mappare un numero di oggetti 20 volte superiore rispetto a qualsiasi esperimento precedente.

Il piano focale di Desi presenta 5000 posizionatori automatici robotizzati, ciascuno collegato a un cavo in fibra ottica per raccogliere la luce delle galassie. Crediti: Desi Collaboration
Il piano focale di Desi presenta 5000 posizionatori automatici robotizzati, ciascuno collegato a un cavo in fibra ottica per raccogliere la luce delle galassie. Crediti: Desi Collaboration

Il piano focale, il barilotto correttore e gli altri componenti di Desi pesano 11 tonnellate, il braccio mobile del telescopio Mayall su cui Desi è installato pesa 250 tonnellate e si alza 27 metri sopra il pavimento nella cupola di 14 piani della Mayall. Tra gli arrivi più recenti a Kitt Peak vi è la raccolta di spettrografi progettati per suddividere la luce raccolta in tre bande di colore separate, per consentire misurazioni precise della distanza delle galassie osservate su un’ampia gamma di colori. Questi spettrografi, che consentono agli occhi robotici di Desi di “vedere” anche galassie deboli e distanti, sono progettati per misurare lo spostamento verso il rosso, il cosiddetto redshift. Ogni spettrografo contiene tre telecamere, una per lunghezza d’onda ultravioletta, visibile e infrarossa.

Ora ci sono otto spettrografi installati. L’installazione degli ultimi due è programmata per la fine dell’anno. Per collegare il piano focale con gli spettrografi, che si trovano sotto il telescopio, Desi è dotato di circa 240 chilometri di cavi in ​​fibra ottica.

Gli spettri ottenuti da Desi permetteranno di effettuare altri studi, oltre quello dell’energia oscura. Oltre a sondare quasar e galassie, Desi otterrà spettri di stelle e aiuterà a rispondere a domande sulla natura della materia oscura, che sebbene sia invisibile si pensa superi di gran lunga la quantità di materia visibile nell’universo. Inoltre, la survey aiuterà gli scienziati a comprendere meglio l’evoluzione delle galassie e dei quasar nel tempo. «Con Desi» conclude Buell Jannuzi, direttore dello Steward Observatory «stiamo creando un set di dati che in futuro si rivelerà utile a tutti i tipi di studi astrofisici».

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