Uvnitř Vera C. Rubin Observatory (a její obří kamera)

Příští rok má být svět astronomie ještě větší s prvními operacemi Vera C. Rubinova observatoř. Tato mamutí observatoř je v současné době ve výstavbě na vrcholu Cerro Pachón, téměř 9000 stop vysoké hory v Chile.

V observatoři bude umístěn 8,4metrový dalekohled, který bude zachycovat světlo ze vzdálených galaxií a nasměrujte to do největšího digitálního fotoaparátu na světě, který vytváří neuvěřitelně hluboké snímky celku jižní oblohu.

Pokud vás někdy zajímalo, jak inženýři rozšiřují technologii digitálních fotoaparátů z něčeho, co je dostatečně malé, aby se vešlo do vašeho telefonu, na něco dostatečně velkého, aby zachytilo celý galaxií, mluvili jsme s vědcem z Rubin Observatory Kevinem Reilem, abychom se dozvěděli o tomto jedinečném kusu stavebnice a o tom, jak by mohla pomoci odhalit některá z největších záhad v astronomie.

Největší digitální fotoaparát na světě

Na základní úrovni funguje fotoaparát Rubin stejným způsobem jako komerční digitální fotoaparát, jako je ten ve vašem mobilním telefonu – i když jeho technologie je ve skutečnosti blíže kamerou mobilních telefonů z doby před pěti lety, protože místo CMOS používá technologii snímačů zvanou CCD, protože stavba kamery observatoře začala před 10 lety před. Největší rozdíl je v měřítku: fotoaparát vašeho telefonu může mít rozlišení 10 megapixelů, ale fotoaparát Rubin má ohromujících 3 200 megapixelů.

Abyste měli hmatatelnější představu o tom, jak by 3 200 megapixelů vypadalo, bylo by potřeba 378 4K TV obrazovky pro zobrazení jednoho obrázku v plné velikosti, podle SLAC National Accelerator Laboratory, která kameru konstruuje. Takové rozlišení by vám umožnilo vidět golfový míček ze vzdálenosti 15 mil.

K dosažení tohoto druhu rozlišení musí být každý prvek hardwaru fotoaparátu navržen a vyroben s extrémní přesností. Jednou ze součástí fotoaparátu, která vyžaduje obzvláště pečlivou výrobu, jsou čočky. Existují tři čočky, které pomáhají korigovat jakékoli aberace v příchozích signálech, a každá z nich musí mít dokonale bezchybný povrch.

To je ještě obtížnější dosáhnout než přesnost požadovaná pro zrcadla dalekohledů, protože obě strany čočky musí být rovnoměrně vyleštěny. „Problémem je, že nyní místo jednoho povrchu pro zrcadlo máte dva povrchy, které musí být dokonalé,“ vysvětlil Reil. "Veškerá optika pro tuto observatoř - čočky a zrcadla - to jsou věci, které se vytvářejí roky."

Získání dokonalých čoček není ani tou nejtěžší částí sady potřebné pro takový dalekohled. "Je to známá technologie," řekl Reil. "Je to těžké, ale existují společnosti, které vědí, jak tyto čočky vyrobit."

Kam se kamera Rubin tlačí do mnohem vzácněji prošlapané země, jsou její senzory. S tak ohromně vysokým rozlišením 3 200 megapixelů je třeba 189 senzorů fotoaparátu uspořádat do pole a vyladit, dokud nedosáhnou přesných specifikací. Každý z těchto senzorů má 16 kanálů, což je celkem 3 024 kanálů.

"Pro mě osobně byly největší výzvou senzory," řekl Reil. „Mít 16 čtecích kanálů a 189 senzorů a číst je všechny najednou. Takže získávání dat a skutečné vytváření senzorů splňujících požadavky.“

Tyto požadavky na senzory se týkají věcí, jako je velmi nízká úroveň čtecího šumu – to je zrnitá textura, kterou uvidíte, když fotíte ve tmě pomocí mobilního telefonu. Aby se minimalizoval tento šum, který by narušoval astronomická pozorování, jsou senzory chlazeny na minus 150 stupňů Fahrenheita. Ale i to může pomoci jen tolik, takže senzory musí být vyrobeny velmi pečlivě, aby se snížil čtecí šum – něco, co dokáže jen hrstka společností na světě.

Dalším problémem je ohnisková rovina fotoaparátu, která souvisí s tím, jak fotoaparát zaostřuje. Aby tato rovina zůstala zcela plochá, v rozmezí několika mikronů, musí být senzory namontovány na člun vyrobený z karbidu křemíku a poté instalovány do kamery.

Klíčovým způsobem, jakým se kamera na dalekohledu liší od typického digitálního fotoaparátu, je použití filtrů. Namísto pořizování barevných snímků pořizují dalekohledové kamery ve skutečnosti černobílé snímky na různých vlnových délkách. Tyto snímky lze pak různými způsoby kombinovat a vybrat tak různé astronomické rysy.

K tomu je kamera Rubin vybavena šesti filtry, z nichž každý izoluje různé vlnové délky elektromagnetického spektra — od ultrafialového, přes spektrum viditelného světla až do infračervený. Tyto filtry jsou velké, kulaté kusy skla které je třeba fyzicky přesunout před kameru, takže ke kameře je připojen mechanismus, který je podle potřeby zasouvá a vysouvá. Kolem těla fotoaparátu se otáčí kolečko, které vynese požadovaný filtr nahoru, poté filtr vezme rameno a zasune jej na místo mezi objektivy.

Konečně je tu závěrka. Skládá se ze systému dvou čepelí, který se posouvá přes přední stranu čoček a pak zpět, aby se zachytil snímek. "To je velmi přesné," řekl Reil. "Vzdálenost mezi těmi pohyblivými čepelemi a čočkou číslo tři je velmi, velmi blízko." To vyžaduje pečlivé inženýrství, abyste se ujistili, že rozestupy jsou přesně správné.

Vidět širší obraz

Všechno toto přesné inženýrství umožní Rubinu stát se extrémně výkonným astronomickým nástrojem. Není však výkonný stejně jako nástroje jako Hubbleův vesmírný dalekohled nebo vesmírný dalekohled Jamese Webba, které jsou navrženy tak, aby se dívaly na velmi vzdálené objekty. Místo toho se Rubin podívá na celé obrovské kusy oblohy a velmi rychle prozkoumá celou oblohu.

Jednou týdně bude zkoumat celou jižní oblohu, přičemž tento úkol bude opakovat znovu a znovu a každou noc shromáždí přibližně 14 terabajtů dat. Díky těmto pravidelně aktualizovaným snímkům mohou astronomové porovnávat, co se stalo na daném místě na obloze minulý týden co je tento týden – a to jim umožňuje zachytit rychle se vyvíjející události, jako jsou supernovy, a zjistit, jak se mění čas.

Výzvou tedy není jen shromažďování všech těchto dat pomocí hardwaru fotoaparátu, ale také jejich získávání zpracovány velmi rychle, takže mohou být astronomům zpřístupněny včas, aby viděli nové události takové, jaké jsou happening.

A data budou také veřejně dostupná. Budete si moci vybrat jakýkoli objekt na jižní obloze a vytáhnout snímky tohoto objektu, nebo jen procházet data z průzkumu ukazující oblohu. v úchvatných detailech.

Hluboký, velký průzkum oblohy

Rubin Observatory bude nejen zdrojem pro astronomy, kteří sledují, jak se konkrétní objekt mění v průběhu času, ale také bude důležitá pro identifikaci objektů v blízkosti Země. Jedná se o asteroidy nebo komety, které se přiblíží k Zemi a mohly by potenciálně ohrozit naši planetu, ale které může být obtížné zaznamenat, protože se po obloze pohybují tak rychle.

Díky velkému zrcadlu a zornému poli bude observatoř Rubin schopna identifikovat objekty, které se přibližují obzvláště blízko Zemi a nazývají se potenciálně nebezpečné objekty. A protože se tato data často obnovují, mělo by být možné označit objekty, které potřebují další studium, aby je mohly pozorovat jiné teleskopy.

Ale největší příspěvek observatoře může být ve studiu temné hmoty a temné energie. Ve skutečnosti je observatoř pojmenována po americké astronomce Vera C. Rubin, která objevila první důkazy temné hmoty prostřednictvím svých pozorování galaxií v 60. a 70. letech 20. století.

Observatoř Rubin bude schopna zkoumat záhadnou substanci temné hmoty tím, že se podívá na vesmír ve velmi velkém měřítku.

"Skutečně vidět temnou hmotu - no, nemůžete," vysvětlil Reil. "Ale abyste mohli skutečně studovat temnou hmotu, musíte se podívat na měřítko galaxie."

Když se podíváte na to, jak rychle se hvězdy kolem okraje galaxie otáčejí, můžete zjistit, kolik hmoty musí být mezi těmito hvězdami a galaktickým středem. Když to uděláme, hmota, kterou vidíme, nestačí k vysvětlení těchto rotací – „ani dost blízko,“ řekl Reil. Takže je tu chybějící množství hmoty, které musíme vysvětlit. "To je temná hmota," dodává.

Podobný princip platí pro celé kupy galaxií. Pozorováním drah galaxií v těchto kupách, které bude Rubin schopen pozorovat se svým širokým zorným polem, získají pozorování novou úroveň statistické síly. A studovat související fenomén temné energie, hypotetického typu energie, který vysvětluje rychlost expanze vesmíru mohou astronomové porovnat vypočítanou hmotnost velkých objektů s jejich pozorovanými Hmotnost.

"Můžete vidět každou kupu galaxií, která existuje, a nemůžete získat více statistik než z celé oblohy," řekl Reil. "Mít k dispozici všechna data o předmětu má skutečné výhody oproti malému zornému poli."

Doporučení redakce

• Uvnitř bláznivého plánu nabrat a přinést domů trochu atmosféry Venuše
• James Webb a Keck Observatory vidí mraky na Saturnově měsíci Titan
• Zde je to, na co se vesmírný dalekohled Jamese Webba zaměří příště
• Největší kometa, jakou jsme kdy viděli, se k nám blíží, ale nebojte se
• Jedním z prvních cílů Jamese Webba je Jupiter. Zde je důvod