Unutar Vere C. Zvjezdarnica Rubin (i njezina ogromna kamera)

Sljedeće godine, svijet astronomije će postati još veći s prvim operacijama Vera C. Zvjezdarnica Rubin. Ova ogromna zvjezdarnica trenutno se gradi na vrhu Cerro Pachona, gotovo 9000 stopa visoke planine u Čileu.

U zvjezdarnici će se nalaziti teleskop od 8,4 metra koji će hvatati svjetlost iz dalekih galaksija i kanalizirati to u najveći digitalni fotoaparat na svijetu, stvarajući nevjerojatno duboke slike cjeline južno nebo.

Ako ste se ikada zapitali kako inženjeri povećavaju tehnologiju digitalne kamere od nečega dovoljno malog da stane u vaš telefon do nečega dovoljno velikog da snimi cijelu galaksija, razgovarali smo sa znanstvenikom zvjezdarnice Rubin Kevinom Reilom kako bismo saznali više o ovom jedinstvenom priboru i kako bi mogao pomoći u razotkrivanju nekih od najvećih misterija u astronomija.

Najveća digitalna kamera na svijetu

Na osnovnoj razini, kamera Rubin radi na isti način kao komercijalna digitalna kamera poput one u vašem mobitelu - iako je njena tehnologija zapravo bliža ona kamera mobitela od prije pet godina, jer koristi tehnologiju senzora nazvanu CCD umjesto CMOS, jer je izgradnja kamere za zvjezdarnicu započela prije 10 godina prije. Najveća je razlika u pogledu razmjera: kamera vašeg telefona može imati razlučivost od 10 megapiksela, ali kamera Rubin ima nevjerojatnih 3200 megapiksela.

Da bismo vam dali opipljiviju ideju o tome kako bi izgledalo 3200 megapiksela, bilo bi potrebno 378 4K TV ekrani za prikaz jedne slike u punoj veličini, prema SLAC National Accelerator Laboratory, koji konstruira kameru. Takva vrsta razlučivosti omogućila bi vam da vidite golf lopticu s udaljenosti od 25 milja.

Da bi se postigla ovakva rezolucija, svaki element hardvera kamere mora biti dizajniran i proizveden s iznimnom preciznošću. Jedna komponenta fotoaparata koja zahtijeva posebno pažljivu proizvodnju su leće. Postoje tri leće koje pomažu ispraviti bilo kakve aberacije u dolaznim signalima, a svaka od njih mora imati savršeno čistu površinu.

To je još teže postići od preciznosti koja je potrebna za teleskopska zrcala, budući da obje strane leće moraju biti jednako polirane. "Izazov je, sada, umjesto jedne površine za ogledalo, imate dvije površine koje moraju biti savršene", objasnio je Reil. "Sva optika za ovu zvjezdarnicu - leće i zrcala - to su stvari za čije su stvaranje potrebne godine."

Nabavka savršenih leća nije čak ni najteži dio kompleta potrebnog za takav teleskop. "To je poznata tehnologija", rekao je Reil. "Teško je, ali postoje tvrtke koje znaju kako napraviti ove leće."

Ono gdje se Rubin kamera gura u mnogo rjeđe utabano tlo je sa svojim senzorima. Uz tako nevjerojatno visoku razlučivost od 3200 megapiksela, 189 senzora fotoaparata treba posložiti u niz i podešavati dok ne postignu točne specifikacije. Svaki od ovih senzora ima 16 kanala, tako da je to ukupno 3024 kanala.

"Za mene osobno, najveći izazov su bili senzori", rekao je Reil. “Imati 16 kanala za očitavanje i 189 senzora i sve ih očitati u isto vrijeme. Dakle, prikupljanje podataka i stvarno stvaranje senzora u skladu sa zahtjevima.”

Ti zahtjevi za senzore odnose se na stvari kao što je vrlo niska razina buke čitanja — to je zrnata tekstura koju ćete vidjeti kada fotografirate u mraku mobitelom. Kako bi se smanjila ova buka, koja bi ometala astronomska promatranja, senzori se hlade na minus 150 stupnjeva Fahrenheita. Ali čak i to može samo toliko pomoći, tako da se senzori moraju proizvoditi vrlo pažljivo kako bi se smanjio šum očitavanja - nešto što može učiniti samo nekoliko tvrtki u svijetu.

Drugi problem je sa žarišnom ravninom kamere, koja ima veze s načinom na koji kamera fokusira. Kako bi ova ravnina bila potpuno ravna, unutar nekoliko mikrona, senzori se moraju montirati na splav napravljenu od silicij karbida, a zatim se ugraditi u kameru.

Ključni način na koji se kamera na teleskopu razlikuje od tipične digitalne kamere je korištenje filtara. Umjesto da snimaju slike u boji, teleskopske kamere zapravo snimaju crno-bijele slike na različitim valnim duljinama. Te se slike zatim mogu kombinirati na različite načine kako bi se odabrale različite astronomske značajke.

Kako bi to učinila, Rubin kamera je opremljena sa šest filtara, od kojih svaki izolira različite valne duljine elektromagnetski spektar — od ultraljubičastog, preko spektra vidljive svjetlosti do infracrveni. Ovi filteri su veliki, okrugli komadi stakla koje je potrebno fizički premjestiti ispred kamere, tako da je na kameru pričvršćen mehanizam da ih po potrebi izmjenjuje i stavlja. Kotač se okreće oko tijela fotoaparata, dovodeći traženi filtar na vrh, zatim ruka uzima filtar i postavlja ga na mjesto između leća.

Konačno, tu je i zatvarač. Sastoji se od sustava s dvije lopatice koji klizi preko prednje strane leća i zatim natrag za snimanje slike. "To je iznimno precizno", rekao je Reil. "Udaljenost između tih pokretnih oštrica i leće broj tri je vrlo, vrlo blizu." To zahtijeva pažljivo projektiranje kako bi se osiguralo da je razmak točan.

Sagledavajući širu sliku

Sav ovaj precizni inženjering omogućit će Rubinu da bude iznimno moćan astronomski alat. Ali nije moćan na isti način kao alati poput svemirskog teleskopa Hubble ili svemirskog teleskopa Jamesa Webba, koji su dizajnirani za promatranje vrlo udaljenih objekata. Umjesto toga, Rubin će gledati cijele ogromne komade neba, pregledavajući cijelo nebo vrlo brzo.

Pregledat će cijelo južno nebo jednom tjedno, ponavljajući ovaj zadatak uvijek iznova i prikupljajući oko 14 terabajta podataka svake noći. Imajući takve redovito ažurirane slike, astronomi mogu usporediti ono što se prošlog tjedna dogodilo na određenom dijelu neba što ima ovaj tjedan - i to im omogućuje da uhvate događaje koji se brzo razvijaju poput supernova, da vide kako se mijenjaju vrijeme.

Dakle, izazov nije samo prikupljanje svih tih podataka pomoću hardvera kamere, već i njihovo dobivanje obrađuje se vrlo brzo tako da se može staviti na raspolaganje astronomima na vrijeme da vide nove događaje onakvima kakvi jesu događa se.

A podaci će također biti javno dostupni. Moći ćete odabrati bilo koji objekt na južnom nebu i povući slike tog objekta ili samo pregledavati podatke istraživanja koji prikazuju nebo u zadivljujućim detaljima.

Duboko, veliko istraživanje neba

Osim što će biti izvor za astronome koji promatraju kako se određeni objekt mijenja tijekom vremena, Rubin Observatory će također biti važan za identificiranje objekata blizu Zemlje. To su asteroidi ili kometi koji se približavaju Zemlji i potencijalno bi mogli ugroziti naš planet, ali koje je teško uočiti jer se kreću nebom tako brzo.

Sa svojim velikim zrcalom i vidnim poljem, zvjezdarnica Rubin moći će identificirati objekte koji se posebno približavaju Zemlji i nazivaju se potencijalno opasnim objektima. A budući da se ti podaci često osvježavaju, trebali bi moći označiti objekte koje je potrebno dodatno proučavati kako bi ih drugi teleskopi mogli promatrati.

Ali najveći doprinos zvjezdarnice mogao bi biti proučavanje tamne tvari i tamne energije. Zapravo, zvjezdarnica je dobila ime po američkoj astronomkinji Veri C. Rubin, koja je otkrila prve dokaze tamne tvari svojim promatranjem galaksija 1960-ih i 1970-ih.

Zvjezdarnica Rubin moći će istražiti tajanstvenu tvar tamne tvari promatrajući svemir u vrlo velikoj mjeri.

"Doista vidjeti tamnu tvar - pa, ne možete", objasnio je Reil. "Ali da biste stvarno proučavali tamnu tvar, morate pogledati skalu galaksije."

Gledajući koliko brzo zvijezde oko ruba galaksije rotiraju, možete izračunati kolika mora biti masa između tih zvijezda i galaktičkog središta. Kada to učinimo, masa koju možemo vidjeti nije dovoljna da objasni te rotacije - "čak ni blizu dovoljne", rekao je Reil. Dakle, nedostaje količina mase koju moramo objasniti. "To je tamna tvar", dodaje.

Sličan princip vrijedi za čitave klastere galaksija. Promatranjem orbita galaksija unutar tih klastera, koje će Rubin moći promatrati svojim širokim vidnim poljem, promatranja će dobiti novu razinu statističke snage. I za proučavanje povezanog fenomena tamne energije, hipotetske vrste energije koja objašnjava brzinu širenja svemira, astronomi mogu usporediti izračunatu masu velikih tijela s njihovim promatranjem masa.

"Možete vidjeti svaki klaster galaksija koji postoji i ne možete dobiti više statistike nego što dobijete od cijelog neba", rekao je Reil. "Postoje stvarne prednosti dostupnosti svih podataka o subjektu u odnosu na malo vidno polje."

Preporuke urednika

• Unutar ludog plana pokupiti i donijeti kući malo atmosfere Venere
• James Webb i Keck Observatory vide oblake na Saturnovom mjesecu Titanu
• Evo na što će svemirski teleskop James Webb sljedeće usmjeriti svoj cilj
• Najveći komet ikada viđen dolazi nam u susret, ali ne brinite
• Jedna od prvih meta Jamesa Webba je Jupiter. Evo zašto