Вътре в Vera C. Обсерваторията Рубин (и нейната гигантска камера)

Следващата година светът на астрономията ще стане още по-голям с първите операции на Vera C. Обсерватория Рубин. Тази огромна обсерватория в момента се строи на върха на Cerro Pachón, висока близо 9000 фута планина в Чили.

В обсерваторията ще има 8,4-метров телескоп, който ще улавя светлина от далечни галактики и насочете това към най-голямата цифрова камера в света, произвеждайки невероятно дълбоки изображения на цялото южно небе.

Ако някога сте се чудили как инженерите разширяват технологията на цифровите фотоапарати от нещо достатъчно малко, за да се побере в телефона ви, до нещо достатъчно голямо, за да заснеме целия галактики, говорихме с учения от обсерваторията Рубин Кевин Рейл, за да разберем за този уникален комплект и как може да помогне за разкриването на някои от най-големите мистерии в астрономия.

Най-голямата цифрова камера в света

На основно ниво камерата Rubin работи по същия начин като комерсиална цифрова камера като тази във вашия мобилен телефон - въпреки че нейната технология всъщност е по-близо до тази на камерите за мобилни телефони отпреди пет години, тъй като използва сензорна технология, наречена CCD вместо CMOS, тъй като изграждането на камерата за обсерватория започна преди 10 години преди. Най-голямата разлика е по отношение на мащаба: камерата на вашия телефон може да има разделителна способност от 10 мегапиксела, но камерата Rubin има умопомрачителните 3200 мегапиксела.

За да ви даде по-осезаема представа как биха изглеждали 3200 мегапиксела, ще са необходими 378 4K телевизионни екрани за показване на едно изображение в пълен размер, Според SLAC National Accelerator Laboratory, която конструира камерата. Този вид разделителна способност ще ви позволи да видите топка за голф от 15 мили.

За да се постигне този вид резолюция, всеки елемент от хардуера на камерата трябва да бъде проектиран и произведен с изключителна прецизност. Един компонент на фотоапарата, който изисква особено внимателно производство, са лещите. Има три лещи, които помагат за коригиране на всякакви аберации във входящите сигнали и всяка от тях трябва да има идеално чиста повърхност.

Това е дори по-трудно за постигане от прецизността, необходима за огледалата на телескопа, тъй като и двете страни на лещата трябва да бъдат еднакво полирани. „Предизвикателството е сега, вместо една повърхност за огледало, да имате две повърхности, които трябва да бъдат перфектни“, обясни Райл. „Цялата оптика за тази обсерватория – лещите и огледалата – те са нещо, чието създаване отнема години.“

Получаването на перфектните лещи дори не е най-трудната част от комплекта, необходим за такъв телескоп. „Това е известна технология“, каза Рейл. „Трудно е, но има компании, които знаят как да направят тези лещи.“

Там, където камерата Rubin навлиза в много по-рядко утъпкана земя, са нейните сензори. С такава невероятно висока разделителна способност от 3200 мегапиксела, 189-те сензора на камерата трябва да бъдат подредени в масив и настройвани, докато достигнат точни спецификации. Всеки от тези сензори има 16 канала, така че това са общо 3024 канала.

„За мен лично най-голямото предизвикателство бяха сензорите“, каза Рейл. „Да има 16 канала за четене и 189 сензора и да ги чете всичките едновременно. Така че събирането на данни и наистина да направим сензорите да отговарят на изискванията.“

Тези изисквания за сензорите са за неща като много ниско ниво на шум при четене - това е зърнестата текстура, която ще видите, когато правите снимка на тъмно с мобилния си телефон. За да се сведе до минимум този шум, който би нарушил астрономическите наблюдения, сензорите се охлаждат до минус 150 градуса по Фаренхайт. Но дори това може да помогне само толкова много, така че сензорите трябва да се произвеждат много внимателно, за да се намали шумът от четене - нещо, което само шепа компании в света могат да направят.

Друг проблем е с фокалната равнина на камерата, която е свързана с това как камерата фокусира. За да се поддържа тази равнина напълно плоска, в рамките на няколко микрона, сензорите трябва да бъдат монтирани на сал, изработен от силициев карбид, след което да бъдат инсталирани в камерата.

Ключов начин, по който камерата на телескопа се различава от типичния цифров фотоапарат, е използването на филтри. Вместо да заснемат цветни изображения, телескопните камери всъщност заснемат черно-бели изображения при различни дължини на вълната. След това тези изображения могат да се комбинират по различни начини, за да се изберат различни астрономически характеристики.

За целта камерата Rubin е оборудвана с шест филтъра, всеки от които изолира различни дължини на вълната на електромагнитния спектър — от ултравиолетовия, през спектъра на видимата светлина и до инфрачервена. Тези филтри са големи кръгли парчета стъкло които трябва да бъдат физически преместени пред камерата, така че към камерата е прикрепен механизъм, който да ги сменя и изважда, ако е необходимо. Колело се върти около тялото на фотоапарата, извеждайки необходимия филтър до върха, след което ръка взема филтъра и го плъзга на място между лещите.

И накрая, има затвор. Това се състои от система с две остриета, която се плъзга по лицето на лещите и след това обратно, за да заснеме изображение. „Това е изключително точно“, каза Рейл. „Разстоянието между тези движещи се остриета и леща номер три е много, много близко.“ Това изисква внимателно проектиране, за да се гарантира, че разстоянието е точно правилно.

Виждайки по-широката картина

Цялото това прецизно инженерство ще позволи на Рубин да бъде изключително мощен астрономически инструмент. Но той не е мощен по същия начин като инструменти като космическия телескоп Хъбъл или космическия телескоп Джеймс Уеб, които са предназначени да гледат много отдалечени обекти. Вместо това, Рубин ще гледа цели огромни парчета от небето, изследвайки цялото небе много бързо.

Той ще изследва цялото южно небе веднъж седмично, повтаряйки тази задача отново и отново и събирайки около 14 терабайта данни всяка нощ. Като разполагат с такива редовно актуализирани изображения, астрономите могат да сравнят какво се е случило в дадена част от небето миналата седмица с какво има тази седмица - и това им позволява да уловят бързо развиващи се събития като свръхнови, за да видят как се променят време.

Така че не само събирането на всички тези данни с помощта на хардуера на камерата е предизвикателство, но и получаването им се обработват много бързо, така че да могат да бъдат предоставени на астрономите навреме, за да видят новите събития такива, каквито са случва се.

И данните също ще бъдат публично достъпни. Ще можете да изберете всеки обект в южното небе и да изтеглите изображения на този обект или просто да прегледате данните от проучването, показващи небето в зашеметяващи детайли.

Дълбоко, голямо изследване на небето

Освен че е ресурс за астрономите, които наблюдават как даден обект се променя с времето, обсерваторията Рубин също ще бъде важна за идентифицирането на обекти, близки до Земята. Това са астероиди или комети, които се приближават до Земята и потенциално биха могли да застрашат нашата планета, но които могат да бъдат трудни за забелязване, защото се движат по небето толкова бързо.

С голямото си огледало и зрително поле, обсерваторията Рубин ще може да идентифицира обекти, които се приближават особено близо до Земята и се наричат ​​потенциално опасни обекти. И тъй като тези данни често се опресняват, те трябва да могат да маркират обекти, които се нуждаят от по-нататъшно проучване, за да бъдат наблюдавани от други телескопи.

Но най-големият принос на обсерваторията може да бъде в изследването на тъмната материя и тъмната енергия. Всъщност обсерваторията е кръстена на американския астроном Вера С. Рубин, която открива първите доказателства за тъмна материя чрез наблюденията си на галактики през 60-те и 70-те години на миналия век.

Обсерваторията Рубин ще може да изследва мистериозното вещество на тъмната материя, като разглежда Вселената в много голям мащаб.

„Наистина да видите тъмна материя – е, не можете“, обясни Рейл. „Но за да изучавате наистина тъмната материя, трябва да погледнете мащаба на галактиката.“

Като гледате колко бързо се въртят звездите около ръба на една галактика, можете да определите колко маса трябва да има между тези звезди и галактическия център. Когато направим това, масата, която можем да видим, не е достатъчна, за да обясни тези ротации - „дори не е достатъчно“, каза Рейл. Така че има липсващо количество маса, което трябва да обясним. „Това е тъмната материя“, добавя той.

Подобен принцип се прилага за цели купове от галактики. Чрез наблюдение на орбитите на галактиките в тези клъстери, които Рубин ще може да наблюдава с широкото си зрително поле, наблюденията ще придобият ново ниво на статистическа сила. И за изследване на свързания феномен на тъмната енергия, хипотетичен вид енергия, който обяснява скоростта на разширяване на Вселената, астрономите могат да сравняват изчислената маса на големи обекти с наблюдаваните от тях маса.

„Можете да видите всеки галактически клъстер и не можете да получите повече статистика, отколкото получавате от цялото небе“, каза Рейл. „Има реални предимства да разполагаш с всички налични данни по темата в сравнение с малкото зрително поле.“

Препоръки на редакторите

• Вътре в лудия план да вземете и да пренесете у дома частица от атмосферата на Венера
• Джеймс Уеб и обсерваторията Кек виждат облаци на спътника на Сатурн Титан
• Ето към какво ще се прицели космическият телескоп James Webb
• Най-голямата комета, виждана някога, идва към нас, но не се притеснявайте
• Една от първите цели на Джеймс Уеб е Юпитер. Ето защо