L'instrument spectroscopique à énergie noire, appelé DESI, a un objectif ambitieux :scanner plus de 35 millions de galaxies dans le ciel nocturne pour suivre l'expansion de notre univers et la croissance de sa structure à grande échelle au cours des 10 derniers milliards d'années. À l'aide de DESI, un projet dirigé par le Lawrence Berkeley National Laboratory, les scientifiques espèrent créer une carte en 3D d'un tiers du ciel nocturne qui soit plus précise et précise que toute autre.

Une carte précise nécessite que DESI lui-même soit construit et assemblé avec une précision micrométrique. Laboratoire Fermi, un laboratoire national du ministère de l'Énergie, apporte un élément clé de l'instrument :un grand, dispositif en forme de tonneau qui contiendra des lentilles optiques pour collecter la lumière de millions de galaxies lointaines. La plus petite déviation dans l'alignement de l'objectif pourrait conduire à un flou permanent de l'instrument. Chaque pièce du canon doit être parfaitement placée, l'équipe du Fermilab prend donc actuellement toutes les mesures pour assurer son assemblage précis.

Le processus implique une machine spéciale, une manipulation méticuleuse et une bonne dose de patience.

Assemblage de précision

Le dispositif porte-objectif est un cylindre segmenté d'environ 8 pieds de long et 4 pieds de large, soit à peu près la taille d'un petit ascenseur. Une fois le gros baril d'acier terminé, il sera installé au télescope Mayall de quatre mètres à l'observatoire national de Kitt Peak, au sud-ouest de Tucson, Arizona.

Les lentilles vont collecter la lumière réfléchie par le miroir du télescope et la focaliser en 5, 000 fibres optiques, à travers lequel la lumière est transportée vers des détecteurs spéciaux, appelés spectrographes. A l'aide de 10 de ces spectrographes, les scientifiques peuvent mesurer la distance des galaxies.

En mai, une équipe de spécialistes du Laboratoire Fermi a commencé à assembler soigneusement les cinq segments du canon, en vérifiant que chaque écrou et boulon était parfaitement situé. Mais un ajustement au niveau des écrous et des boulons ne suffit pas. Pour atteindre la précision recherchée par les scientifiques, le canon DESI et sa structure interne doivent être assemblés avec précision à 20 micromètres près. C'est un dixième de l'épaisseur d'une feuille de papier.

Pour obtenir l'ajustement requis, l'équipe a fait petit, ajustements critiques au canon assemblé.

Alignement précis

Les ajustements du canon ont lieu dans un espace vacant de la taille d'une petite chambre. Quatre hauts piliers – près de sept pieds de haut – se dressent aux coins de l'espace.

Au dessus de leurs têtes, un rail, semblable aux voies ferrées, relie les sommets des deux piliers d'un côté. Un deuxième rail relie les deux autres. Une piste de chariot mobile enjambe l'espace - comme un pont élevé enjambe une rivière - reliant les deux rails. La voiture elle-même glisse le long de la piste.

L'équipe guide le chariot pour qu'il s'arrête juste au-dessus du canon. Le chariot porte un bras mécanique qui pointe vers le sol. Il peut tourner dans toutes les directions dans l'espace à l'intérieur des piliers. Au bout du bras se trouve un capteur très sensible et précis, fixé à une sonde motorisée articulée.

Le bras avec le capteur prend vie :il atteint le canon et commence à palper ses surfaces. Il recherche des points spécifiques sur le canon - un coin, un bord, un autre marqueur de surface important. Quand il les trouve, il mesure les coordonnées dans l'espace désigné. Très soigneusement et avec de petits mouvements, il se déplace sur toute la surface du canon, mesurer, vers le bas et autour de la surface. Comme il le fait, il enregistre les données de mesure et les enregistre pour une analyse ultérieure. Jorge Montes, l'un des membres de l'équipe, place stratégiquement des marqueurs sur la surface du canon pour faciliter leurs efforts d'alignement.

Après avoir effectué la mesure, les scientifiques renvoient le baril dans une zone extérieure. Là, ils le démontent, réaligner toutes les pièces, en s'appuyant sur les marqueurs précédemment placés. Ils le remontent ensuite. Avec beaucoup de soin, ils amènent le canon une fois de plus entièrement assemblé dans l'espace vide et mesurent à nouveau la précision de leur assemblage.

En comparant leurs performances avec leur assemblage précédent, ils apprennent quelles pièces, si seulement, sont mal alignés, même légèrement, et où ils ont amélioré l'alignement.

Une machine magique

Le précis, machine à mesurer lente qui signale les défauts d'alignement est appelée machine à mesurer tridimensionnelle, ou CMM. Le groupe effectuant ces mesures point par point, dirigé par le physicien-ingénieur du Fermilab Michael Roman, l'utilise pour assurer le parfait assemblage du canon DESI.

Avec l'aide du CMM, ils répètent toute la procédure d'assemblage, mesure et démontage encore et encore, comparant toujours leurs performances aux essais précédents. Lorsqu'ils atteignent leur alignement à moins de 10 micromètres - environ un dixième de la largeur d'un cheveu humain - en un certain nombre d'essais, ils sont satisfaits.

"Dès le début, nous savions que le canon nécessitait des mesures de haute précision pour l'assemblage et qu'il serait trop grand pour l'une des MMT du laboratoire Fermi pour effectuer de telles mesures, " dit Romain.

"En soutien fort de DESI, Fermilab a acheté une machine pour les mesures dédiées sur le fût, " a déclaré le scientifique Gaston Gutierrez, qui est l'un des chefs de projet DESI au Fermilab.

Stable et stable

Pour s'assurer que les mesures de la MMT sont aussi précises qu'elles doivent l'être, le CMM est installé dans une salle climatisée, où les scientifiques surveillent et contrôlent la température 24 heures sur 24. Les matériaux se dilatent lorsqu'ils se réchauffent, affectant la précision des mesures de CMM.

Les scientifiques ont donc élaboré les bons paramètres de contrôle pour le système de contrôle environnemental afin de garantir que la température ne varie jamais de plus d'un degré par rapport à 20 degrés Celsius.

Même l'effet éventuel des poids lourds sur le canon DESI, y compris les lentilles, peut être mesuré avec la nouvelle MMT. Les scientifiques placent le baril DESI dans la machine et le mesurent, puis ajoutez des poids de test sur ses côtés et remesurez le canon. L'équipe peut voir comment le canon rétrécit ou se plie, le cas échéant, et déterminez si les lentilles resteront stables lorsque le télescope est en mouvement.

L'équipe du Fermilab prévoit de terminer toutes les mesures de la MMT d'ici début 2017. Ensuite, ils démonteront le canon DESI et l'enverront à l'University College de Londres. À Londres, leurs collègues installeront les lentilles dans les structures de support. Une fois les lentilles installées, le baril commencera son voyage vers sa future maison en Arizona.

Mesurer l'expansion de l'univers

Les scientifiques ont découvert que notre univers grandit de plus en plus, sans aucune fin en vue. Comme des raisins secs dans une miche de pain qui monte, les galaxies de l'univers sont éloignées les unes des autres.

D'après les mesures précédentes, les scientifiques ont une sorte de règle cosmique, une longueur standard qui remonte au début de l'univers. En utilisant cette règle avec la carte DESI de haute précision, les scientifiques seront en mesure de dire à quelle distance les galaxies se sont éloignées et à quel point notre univers s'est développé au cours de son histoire.

"Avec l'expérience DESI, nous voulons suivre les pas croissants de notre univers, " a déclaré Gutierrez. "Nous commençons à partir d'aujourd'hui et remontons dans le temps pour mesurer à quel point l'univers s'est étendu depuis ses débuts.

La confection, l'assemblage et le fonctionnement de DESI sont des étapes petites mais très importantes vers une compréhension précise de l'univers.