Inde i Vera C. Rubin Observatory (og dets gigantiske kamera)

Næste år vil astronomiens verden blive endnu større med de første operationer af Vera C. Rubin Observatorium. Dette mammutobservatorium er i øjeblikket under opførelse på toppen af ​​Cerro Pachón, et næsten 9.000 fod højt bjerg i Chile.

Observatoriet skal rumme et 8,4 meter teleskop, der vil fange lys fra fjerntliggende galakser og kanalisere dette til verdens største digitalkamera, der producerer utroligt dybe billeder af det hele sydlige himmel.

Hvis du nogensinde har undret dig over, hvordan ingeniører skalerer digitalkamerateknologi op fra noget lille nok til at passe inde i din telefon til noget stort nok til at fange hele galakser, talte vi med Rubin Observatory-forskeren Kevin Reil for at finde ud af om dette unikke sæt, og hvordan det kunne hjælpe med at opklare nogle af de største mysterier i astronomi.

Verdens største digitalkamera

På et grundlæggende niveau fungerer Rubin-kameraet på samme måde som et kommercielt digitalkamera som det i din mobiltelefon - selvom dets teknologi faktisk er tættere på det med mobiltelefonkameraer fra fem år siden, da det bruger en sensorteknologi kaldet CCD i stedet for CMOS, fordi bygningen af ​​observatoriekameraet startede for 10 år siden. Den største forskel er i forhold til skalaen: dit telefonkamera har muligvis en opløsning på 10 megapixel, men Rubin-kameraet har åndssvage 3.200 megapixel.

For at give dig en mere håndgribelig idé om, hvordan 3.200 megapixels ville se ud, ville det tage 378 4K TV-skærme til at vise ét billede i fuld størrelse, ifølge SLAC National Accelerator Laboratory, som er ved at konstruere kameraet. Den slags opløsning ville give dig mulighed for at se en golfbold fra 15 miles væk.

For at opnå denne form for opløsning skal hvert element i kameraets hardware designes og fremstilles med ekstrem præcision. En komponent i kameraet, der kræver særlig omhyggelig fremstilling, er linserne. Der er tre linser til at hjælpe med at korrigere eventuelle aberrationer i indgående signaler, og hver enkelt skal have en perfekt pletfri overflade.

Det er endnu sværere at opnå end den præcision, der kræves for teleskopspejle, da begge sider af linsen skal være lige polerede. "Udfordringen er nu, i stedet for en overflade til et spejl, har du to overflader, der skal være perfekte," forklarede Reil. "Al optikken til dette observatorium - linserne og spejlene - de er den slags ting, der tager år at skabe."

At få de perfekte linser er ikke engang den sværeste del af den slags kit, der er nødvendig for sådan et teleskop. "Det er en kendt teknologi," sagde Reil. "Det er svært, men der er virksomheder, der ved, hvordan man laver disse linser."

Der, hvor Rubin-kameraet skubber ind i meget mere sjældent trådt terræn, er med dets sensorer. Med en så enormt høj opløsning på 3.200 megapixels skal kameraets 189 sensorer arrangeres i en række og justeres, indtil de når de krævende specifikationer. Hver af disse sensorer har 16 kanaler, så det er 3.024 kanaler i alt.

"For mig personligt har den største udfordring været sensorerne," sagde Reil. "At have 16 udlæsningskanaler og 189 sensorer, og at udlæse dem alle på samme tid. Så dataindsamlingen og virkelig at få sensorerne til at opfylde kravene."

Disse krav til sensorerne er til ting som et meget lavt niveau af læsestøj - det er den kornete tekstur, du vil se, når du tager et billede i mørket med din mobiltelefon. For at minimere denne støj, som ville forstyrre astronomiske observationer, afkøles sensorerne til minus 150 grader Fahrenheit. Men selv det kan kun hjælpe så meget, så sensorerne skal fremstilles meget omhyggeligt for at reducere læsestøjen - noget kun en håndfuld virksomheder i verden kan gøre.

Et andet problem er med kameraets fokusplan, som har at gøre med, hvordan kameraet fokuserer. For at holde dette plan helt fladt, inden for et par mikrometer, skal sensorerne monteres på en tømmerflåde lavet af siliciumcarbid og derefter installeres i kameraet.

En vigtig måde, hvorpå kameraet på et teleskop adskiller sig fra et typisk digitalkamera, er brugen af ​​filtre. I stedet for at tage billeder i farver, tager teleskopkameraer faktisk sort-hvide billeder ved forskellige bølgelængder. Disse billeder kan derefter kombineres på forskellige måder for at udvælge forskellige astronomiske træk.

For at gøre dette er Rubin-kameraet udstyret med seks filtre, som hver især isolerer forskellige bølgelængder af det elektromagnetiske spektrum - fra det ultraviolette, gennem det synlige lysspektrum og ind i infrarød. Disse filtre er store, runde stykker glas der fysisk skal flyttes foran kameraet, så der er fastgjort en mekanisme til kameraet til at skifte dem ind og ud efter behov. Et hjul roterer rundt om kamerahuset, hvilket bringer det nødvendige filter til toppen, derefter tager en arm filteret og glider det på plads mellem linserne.

Endelig er der lukkeren. Dette består af et to-bladssystem, der glider hen over linsernes forside og derefter tilbage for at tage et billede. "Det er ekstremt præcist," sagde Reil. "Afstanden mellem de bevægelige blade og linse nummer tre er meget, meget tæt." Det kræver omhyggelig ingeniørarbejde for at sikre, at afstanden er nøjagtigt korrekt.

Ser det bredere billede

Al denne præcisionsteknik vil gøre Rubin i stand til at være et ekstremt kraftfuldt astronomisk værktøj. Men det er ikke kraftfuldt på samme måde som værktøjer som Hubble-rumteleskopet eller James Webb-rumteleskopet, der er designet til at se på meget fjerne objekter. I stedet vil Rubin se på hele store bidder af himlen og undersøge hele himlen meget hurtigt.

Den vil undersøge hele den sydlige himmel en gang om ugen, gentage denne opgave igen og igen og indsamle omkring 14 terabyte data hver nat. Ved at have sådanne regelmæssigt opdaterede billeder kan astronomer sammenligne, hvad der skete på en given del af himlen i sidste uge med hvad er der i denne uge - og det lader dem fange hændelser i hurtig udvikling som supernovaer for at se, hvordan de ændrer sig tid.

Så det er ikke kun at samle alle de data ved hjælp af kamerahardwaren, der er en udfordring, men også at få det behandlet meget hurtigt, så det kan stilles til rådighed for astronomer i tide, så de kan se nye begivenheder, som de er sker.

Og dataene vil også blive gjort offentligt tilgængelige. Du vil være i stand til at vælge et hvilket som helst objekt på den sydlige himmel og trække billeder op af det objekt, eller bare gennemse undersøgelsesdata, der viser himlen i fantastiske detaljer.

En dyb, stor himmelundersøgelse

Ud over at være en ressource for astronomer, der ser på, hvordan et bestemt objekt ændrer sig over tid, vil Rubin-observatoriet også være vigtigt for at identificere objekter nær Jorden. Det er asteroider eller kometer, der kommer tæt på Jorden og potentielt kan true vores planet, men som kan være svære at få øje på, fordi de bevæger sig så hurtigt hen over himlen.

Med sit store spejl og synsfelt vil Rubin-observatoriet være i stand til at identificere objekter, der kommer særligt tæt på Jorden og kaldes potentielt farlige objekter. Og fordi disse data ofte opdateres, burde de være i stand til at markere objekter, der skal studeres yderligere, som andre teleskoper kan observere.

Men observatoriets største bidrag kan være til studiet af mørkt stof og mørk energi. Faktisk er observatoriet opkaldt efter den amerikanske astronom Vera C. Rubin, som opdagede det første bevis på mørkt stof gennem sine observationer af galakser i 1960'erne og 1970'erne.

Rubin-observatoriet vil være i stand til at undersøge det mystiske stof af mørkt stof ved at se på universet i meget stor skala.

"For virkelig at se mørkt stof - ja, det kan du ikke," forklarede Reil. "Men for virkelig at studere mørkt stof, skal du se på galakseskalaen."

Ved at se på, hvor hurtigt stjernerne rundt om kanten af ​​en galakse roterer, kan du regne ud, hvor meget masse der skal være mellem disse stjerner og det galaktiske centrum. Når vi gør dette, er den masse, vi kan se, ikke nok til at forklare disse rotationer - "ikke engang tæt på nok," sagde Reil. Så der mangler en masse masse, vi skal forklare. "Det er den mørke sag," tilføjer han.

Et lignende princip gælder for hele galaksehobe. Ved at observere galaksernes kredsløb i disse hobe, som Rubin vil være i stand til at observere med sit brede synsfelt, vil observationerne få et nyt niveau af statistisk kraft. Og for at studere det relaterede fænomen mørk energi, en hypotetisk type energi, der forklarer hastigheden af udvidelse af universet, kan astronomer sammenligne den beregnede masse af store objekter med deres observerede masse.

"Du kommer til at se hver eneste galaksehob, der er, og du kan ikke få mere statistik, end du får fra hele himlen," sagde Reil. "Der er reelle fordele ved at have alle data tilgængelige om emnet i forhold til at have et lille synsfelt."

Redaktørens anbefalinger

• Inde i den skøre plan om at øse op og få lidt af Venus-stemningen med hjem
• James Webb og Keck Observatory ser skyer på Saturns måne Titan
• Her er, hvad James Webb-rumteleskopet vil sætte sit syn på næste gang
• Den største komet nogensinde er på vej, men bare rolig
• Et af James Webbs første mål er Jupiter. Her er hvorfor