Im Vera C. Rubin-Observatorium (und seine riesige Kamera)

Nächstes Jahr wird die Welt der Astronomie mit den ersten Einsätzen der Vera C noch größer. Rubin-Observatorium. Dieses riesige Observatorium befindet sich derzeit im Bau auf dem Gipfel des Cerro Pachón, einem fast 9.000 Fuß hohen Berg in Chile.

Das Observatorium wird ein 8,4-Meter-Teleskop beherbergen, das Licht von weit entfernten Galaxien einfangen wird Leiten Sie dies in die größte Digitalkamera der Welt und erzeugen Sie unglaublich tiefe Bilder des Ganzen Südlicher Himmel.

Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie Ingenieure die Digitalkameratechnologie von etwas, das klein genug ist, um in Ihr Telefon zu passen, auf etwas vergrößern, das groß genug ist, um das Ganze aufzunehmen? Galaxien haben wir mit Kevin Reil, Wissenschaftler am Rubin-Observatorium, gesprochen, um mehr über dieses einzigartige Teil des Kits zu erfahren und wie es dabei helfen könnte, einige der größten Geheimnisse zu lüften Astronomie.

Die größte Digitalkamera der Welt

Grundsätzlich funktioniert die Rubin-Kamera genauso wie eine kommerzielle Digitalkamera wie die in Ihrem Mobiltelefon – obwohl ihre Technologie tatsächlich näher daran ist die von Handykameras von vor fünf Jahren, da sie eine Sensortechnologie namens CCD anstelle von CMOS verwendet, da mit dem Bau der Observatoriumskamera vor 10 Jahren begonnen wurde vor. Der größte Unterschied besteht in der Skalierung: Die Kamera Ihres Telefons hat möglicherweise eine Auflösung von 10 Megapixel, aber die Rubin-Kamera hat atemberaubende 3.200 Megapixel.

Um Ihnen eine greifbarere Vorstellung davon zu geben, wie 3.200 Megapixel aussehen würden, wären 378 erforderlich 4K Fernsehbildschirme zur Anzeige eines Bildes in voller Größe, entsprechend das SLAC National Accelerator Laboratory, das die Kamera baut. Eine solche Auflösung würde es Ihnen ermöglichen, einen Golfball aus einer Entfernung von 24 Kilometern zu sehen.

Um eine solche Auflösung zu erreichen, muss jedes Element der Kamera-Hardware mit äußerster Präzision entworfen und hergestellt werden. Ein Bauteil der Kamera, das eine besonders sorgfältige Fertigung erfordert, sind die Objektive. Es gibt drei Linsen, die dabei helfen, etwaige Aberrationen in den eingehenden Signalen zu korrigieren, und jede muss eine vollkommen makellose Oberfläche haben.

Dies ist noch schwieriger zu erreichen als die für Teleskopspiegel erforderliche Präzision, da beide Seiten der Linse gleichmäßig poliert werden müssen. „Die Herausforderung besteht nun darin, dass man bei einem Spiegel statt einer Oberfläche zwei Oberflächen hat, die perfekt sein müssen“, erklärte Reil. „Die gesamte Optik für dieses Observatorium – die Linsen und die Spiegel – ist die Art von Dingen, deren Herstellung Jahre dauert.“

Die perfekten Objektive zu finden, ist nicht einmal der schwierigste Teil der Ausrüstung, die für ein solches Teleskop benötigt wird. „Es ist eine bekannte Technologie“, sagte Reil. „Es ist schwer, aber es gibt Unternehmen, die wissen, wie man diese Linsen herstellt.“

Wo die Rubin-Kamera in viel seltener betretenes Gelände vordringt, sind ihre Sensoren. Bei einer so enorm hohen Auflösung von 3.200 Megapixeln müssen die 189 Sensoren der Kamera in einem Array angeordnet und optimiert werden, bis sie den anspruchsvollen Spezifikationen entsprechen. Jeder dieser Sensoren verfügt über 16 Kanäle, also insgesamt 3.024 Kanäle.

„Für mich persönlich waren die Sensoren die größte Herausforderung“, sagte Reil. „16 Auslesekanäle und 189 Sensoren zu haben und diese alle gleichzeitig auszulesen. Also die Datenerfassung und die wirkliche Anpassung der Sensoren an die Anforderungen.“

Diese Anforderungen an die Sensoren betreffen beispielsweise ein sehr geringes Leserauschen – das ist die körnige Textur, die Sie sehen, wenn Sie mit Ihrem Mobiltelefon ein Foto im Dunkeln aufnehmen. Um dieses Rauschen zu minimieren, das astronomische Beobachtungen stören würde, werden die Sensoren auf minus 150 Grad Fahrenheit gekühlt. Aber selbst das kann nur begrenzt helfen, daher müssen die Sensoren sehr sorgfältig hergestellt werden, um das Leserauschen zu reduzieren – was nur eine Handvoll Unternehmen auf der Welt schaffen.

Ein weiteres Problem betrifft die Brennebene der Kamera, die damit zusammenhängt, wie die Kamera fokussiert. Um diese Ebene innerhalb weniger Mikrometer absolut flach zu halten, müssen die Sensoren auf einem Floß aus Siliziumkarbid montiert und dann in die Kamera eingebaut werden.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Kamera eines Teleskops und einer typischen Digitalkamera besteht in der Verwendung von Filtern. Anstatt Bilder in Farbe aufzunehmen, nehmen Teleskopkameras tatsächlich Schwarzweißbilder mit unterschiedlichen Wellenlängen auf. Diese Bilder können dann auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, um verschiedene astronomische Merkmale hervorzuheben.

Zu diesem Zweck ist die Rubin-Kamera mit sechs Filtern ausgestattet, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen isolieren das elektromagnetische Spektrum – vom ultravioletten über das sichtbare Lichtspektrum bis hin zum Spektrum Infrarot. Diese Filter sind große, runde Glasstücke die physisch vor der Kamera bewegt werden müssen, daher ist an der Kamera ein Mechanismus angebracht, um sie bei Bedarf ein- und auszutauschen. Ein Rad dreht sich um das Gehäuse der Kamera und bringt den benötigten Filter nach oben, dann nimmt ein Arm den Filter und schiebt ihn zwischen die Linsen.

Endlich ist da noch der Verschluss. Dieses besteht aus einem Zwei-Blatt-System, das über die Vorderseite der Linsen und dann zurück gleitet, um ein Bild aufzunehmen. „Das ist äußerst präzise“, sagte Reil. „Der Abstand zwischen diesen beweglichen Klingen und Objektiv Nummer drei ist sehr, sehr gering.“ Dies erfordert eine sorgfältige Konstruktion, um sicherzustellen, dass der Abstand genau stimmt.

Das Gesamtbild sehen

All diese Präzisionstechnik wird Rubin zu einem äußerst leistungsstarken astronomischen Werkzeug machen. Aber es ist nicht so leistungsstark wie Instrumente wie das Hubble-Weltraumteleskop oder das James-Webb-Weltraumteleskop, die für die Beobachtung sehr weit entfernter Objekte konzipiert sind. Stattdessen wird Rubin große Teile des Himmels betrachten und den gesamten Himmel sehr schnell überblicken.

Es wird einmal pro Woche den gesamten Südhimmel untersuchen, diese Aufgabe immer wieder wiederholen und jede Nacht etwa 14 Terabyte an Daten sammeln. Mithilfe dieser regelmäßig aktualisierten Bilder können Astronomen vergleichen, was in einem bestimmten Himmelsabschnitt letzte Woche passiert ist Was gibt es diese Woche? Und das ermöglicht es ihnen, sich schnell entwickelnde Ereignisse wie Supernovae einzufangen, um zu sehen, wie sie sich verändern Zeit.

Es ist also nicht nur eine Herausforderung, mit der Kamera-Hardware all diese Daten zu sammeln, sondern sie auch zu erhalten Sehr schnell verarbeitet, sodass es den Astronomen rechtzeitig zur Verfügung gestellt werden kann, damit sie neue Ereignisse so sehen können, wie sie sind Ereignis.

Und die Daten werden auch öffentlich zugänglich gemacht. Sie können jedes beliebige Objekt am Südhimmel auswählen und Bilder dieses Objekts abrufen oder einfach die Vermessungsdaten durchsuchen, die den Himmel zeigen in atemberaubender Detailliertheit.

Eine tiefe, große Himmelsdurchmusterung

Das Rubin-Observatorium ist nicht nur eine Ressource für Astronomen, die untersuchen, wie sich ein bestimmtes Objekt im Laufe der Zeit verändert, sondern wird auch für die Identifizierung erdnaher Objekte wichtig sein. Dabei handelt es sich um Asteroiden oder Kometen, die der Erde nahe kommen und möglicherweise unseren Planeten bedrohen könnten, die aber schwer zu erkennen sein können, weil sie sich so schnell über den Himmel bewegen.

Mit seinem großen Spiegel und Sichtfeld wird das Rubin-Observatorium in der Lage sein, Objekte zu identifizieren, die der Erde besonders nahe kommen und als potenziell gefährliche Objekte bezeichnet werden. Und da diese Daten häufig aktualisiert werden, sollten sie in der Lage sein, Objekte zu kennzeichnen, die einer weiteren Untersuchung bedürfen, damit sie von anderen Teleskopen beobachtet werden können.

Der größte Beitrag des Observatoriums könnte jedoch in der Erforschung der Dunklen Materie und Dunklen Energie liegen. Tatsächlich ist das Observatorium nach der amerikanischen Astronomin Vera C. benannt. Rubin, die durch ihre Beobachtungen von Galaxien in den 1960er und 1970er Jahren den ersten Beweis für Dunkle Materie entdeckte.

Das Rubin-Observatorium wird in der Lage sein, die mysteriöse Substanz der Dunklen Materie zu erforschen, indem es das Universum in sehr großem Maßstab betrachtet.

„Dunkle Materie wirklich zu sehen – nun ja, das geht nicht“, erklärte Reil. „Aber um Dunkle Materie wirklich zu untersuchen, muss man sich die Galaxienskala ansehen.“

Indem Sie beobachten, wie schnell sich die Sterne am Rande einer Galaxie drehen, können Sie ermitteln, wie viel Masse zwischen diesen Sternen und dem galaktischen Zentrum vorhanden sein muss. Wenn wir das tun, reicht die Masse, die wir sehen können, nicht aus, um diese Rotationen zu erklären – „nicht einmal annähernd genug“, sagte Reil. Es fehlt also eine Menge Masse, die wir erklären müssen. „Das ist die dunkle Materie“, fügt er hinzu.

Ein ähnliches Prinzip gilt für ganze Galaxienhaufen. Durch die Beobachtung der Umlaufbahnen von Galaxien innerhalb dieser Cluster, die Rubin mit seinem weiten Sichtfeld beobachten kann, werden die Beobachtungen ein neues Maß an statistischer Aussagekraft erlangen. Und um das damit verbundene Phänomen der Dunklen Energie zu untersuchen, einer hypothetischen Energieart, die die Rate von erklärt Durch die Ausdehnung des Universums können Astronomen die berechnete Masse großer Objekte mit der beobachteten vergleichen Masse.

„Man sieht jeden Galaxienhaufen, den es gibt, und man kann nicht mehr Statistiken erhalten als vom gesamten Himmel“, sagte Reil. „Es bietet echte Vorteile, wenn alle Daten zum Thema verfügbar sind, im Vergleich zu einem kleinen Sichtfeld.“

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