All'interno della Vera C. Osservatorio Rubin (e la sua fotocamera gigante)

Il prossimo anno, il mondo dell'astronomia diventerà ancora più grande con le prime operazioni del Vera C. Osservatorio Rubino. Questo gigantesco osservatorio è attualmente in costruzione sulla cima del Cerro Pachón, una montagna alta quasi 9.000 piedi in Cile.

L'osservatorio ospiterà un telescopio di 8,4 metri che catturerà la luce da galassie lontane e canalizzalo nella fotocamera digitale più grande del mondo, producendo immagini incredibilmente profonde dell'intero cielo meridionale.

Se ti sei mai chiesto come fanno gli ingegneri ad aumentare la tecnologia delle fotocamere digitali da qualcosa di abbastanza piccolo da entrare nel tuo telefono a qualcosa di abbastanza grande da catturare l'intero galassie, abbiamo parlato con lo scienziato dell'Osservatorio Rubin Kevin Reil per scoprire questo pezzo unico di kit e come potrebbe aiutare a svelare alcuni dei più grandi misteri in astronomia.

La fotocamera digitale più grande del mondo

A livello di base, la fotocamera Rubin funziona allo stesso modo di una fotocamera digitale commerciale come quella del tuo cellulare, anche se la sua tecnologia è in realtà più vicina a quello delle fotocamere dei cellulari di cinque anni fa, poiché utilizza una tecnologia di sensori chiamata CCD invece di CMOS, perché la costruzione della fotocamera dell'osservatorio è iniziata 10 anni fa. La più grande differenza è in termini di scala: la fotocamera del tuo telefono potrebbe avere una risoluzione di 10 megapixel, ma la fotocamera Rubin ha ben 3.200 megapixel.

Per darti un'idea più tangibile di come sarebbero 3.200 megapixel, ci vorrebbero 378 4K schermi TV per visualizzare un'immagine a grandezza naturale, secondo lo SLAC National Accelerator Laboratory, che sta costruendo la fotocamera. Quel tipo di risoluzione ti permetterebbe di vedere una pallina da golf da 15 miglia di distanza.

Per ottenere questo tipo di risoluzione, ogni elemento dell'hardware della fotocamera deve essere progettato e prodotto con estrema precisione. Un componente della fotocamera che richiede una produzione particolarmente attenta sono gli obiettivi. Ci sono tre lenti per aiutare a correggere eventuali aberrazioni nei segnali in ingresso e ognuna deve avere una superficie perfettamente priva di imperfezioni.

Ciò è ancora più difficile da ottenere rispetto alla precisione richiesta per gli specchi dei telescopi, poiché entrambi i lati dell'obiettivo devono essere ugualmente lucidati. "La sfida è, ora, invece di una superficie per uno specchio, hai due superfici che devono essere perfette", ha spiegato Reil. "Tutte le ottiche per questo osservatorio - le lenti e gli specchi - sono il genere di cose che richiedono anni per essere create".

Ottenere le lenti perfette non è nemmeno la parte più difficile del tipo di kit necessario per un tale telescopio. "È una tecnologia nota", ha detto Reil. "È difficile, ma ci sono aziende che sanno come realizzare questi obiettivi".

Il punto in cui la telecamera Rubin si sta spingendo in un terreno calpestato molto più raramente è con i suoi sensori. Con una risoluzione così straordinariamente alta di 3.200 megapixel, i 189 sensori della fotocamera devono essere disposti in un array e ottimizzati fino a raggiungere specifiche rigorose. Ciascuno di questi sensori ha 16 canali, quindi sono 3.024 canali in totale.

"Per me personalmente, la sfida più grande sono stati i sensori", ha detto Reil. “Avere 16 canali di lettura e 189 sensori e leggerli tutti contemporaneamente. Quindi l'acquisizione dei dati e il fatto che i sensori soddisfino davvero i requisiti.

Questi requisiti per i sensori riguardano cose come un livello molto basso di rumore di lettura: questa è la trama granulosa che vedrai quando scatti una foto al buio usando il tuo cellulare. Per ridurre al minimo questo rumore, che interromperebbe le osservazioni astronomiche, i sensori sono raffreddati a meno 150 gradi Fahrenheit. Ma anche questo può solo aiutare così tanto, quindi i sensori devono essere fabbricati con molta attenzione per ridurre il rumore di lettura, cosa che solo una manciata di aziende al mondo può fare.

Un altro problema è con il piano focale della fotocamera, che ha a che fare con il modo in cui la fotocamera mette a fuoco. Per mantenere questo piano completamente piatto, entro pochi micron, i sensori devono essere montati su una base in carburo di silicio, quindi installati nella telecamera.

Un modo fondamentale in cui la fotocamera su un telescopio differisce da una tipica fotocamera digitale è nell'uso dei filtri. Invece di catturare immagini a colori, le fotocamere dei telescopi acquisiscono effettivamente immagini in bianco e nero a diverse lunghezze d'onda. Queste immagini possono quindi essere combinate in modi diversi per individuare diverse caratteristiche astronomiche.

Per fare ciò, la fotocamera Rubin è dotata di sei filtri, ognuno dei quali isola diverse lunghezze d'onda di lo spettro elettromagnetico — dall'ultravioletto, attraverso lo spettro della luce visibile, e nel infrarossi. Questi filtri sono pezzi di vetro grandi e rotondi che devono essere spostati fisicamente davanti alla telecamera, quindi un meccanismo è collegato alla telecamera per scambiarli dentro e fuori secondo necessità. Una ruota ruota attorno al corpo della fotocamera, portando in alto il filtro richiesto, quindi un braccio prende il filtro e lo fa scorrere in posizione tra le lenti.

Infine, c'è l'otturatore. Consiste in un sistema a due lame che scorre sulla faccia delle lenti e poi indietro per catturare un'immagine. «È estremamente preciso», disse Reil. "La distanza tra quelle lame in movimento e l'obiettivo numero tre è molto, molto vicina." Ciò richiede un'attenta progettazione per assicurarsi che la spaziatura sia esattamente corretta.

Vedendo il quadro più ampio

Tutta questa ingegneria di precisione consentirà a Rubin di essere uno strumento astronomico estremamente potente. Ma non è potente quanto strumenti come il telescopio spaziale Hubble o il telescopio spaziale James Webb, progettati per osservare oggetti molto distanti. Invece, Rubin guarderà interi enormi pezzi di cielo, osservando l'intero cielo molto rapidamente.

Esaminerà l'intero cielo australe una volta alla settimana, ripetendo questo compito più e più volte e raccogliendo circa 14 terabyte di dati ogni notte. Avendo tali immagini regolarmente aggiornate, gli astronomi possono confrontare ciò che è accaduto in una determinata zona del cielo la scorsa settimana con cosa c'è questa settimana - e questo consente loro di catturare eventi in rapida evoluzione come le supernove, per vedere come cambiano tempo.

Quindi non è solo raccogliere tutti quei dati utilizzando l'hardware della fotocamera che è una sfida, ma anche ottenerli elaborato molto velocemente in modo che possa essere messo a disposizione degli astronomi in tempo per consentire loro di vedere i nuovi eventi così come sono accadendo.

E anche i dati saranno resi pubblici. Sarai in grado di scegliere qualsiasi oggetto nel cielo australe e richiamare le immagini di quell'oggetto, o semplicemente sfogliare i dati del sondaggio che mostrano il cielo con dettagli sbalorditivi.

Un'indagine del cielo ampia e profonda

Oltre ad essere una risorsa per gli astronomi che osservano come un particolare oggetto cambia nel tempo, l'Osservatorio Rubin sarà importante anche per identificare gli oggetti vicini alla Terra. Si tratta di asteroidi o comete che si avvicinano alla Terra e potrebbero potenzialmente minacciare il nostro pianeta, ma che possono essere difficili da individuare perché si muovono nel cielo così velocemente.

Con il suo grande specchio e campo visivo, l'Osservatorio Rubin sarà in grado di identificare oggetti che si avvicinano particolarmente alla Terra e sono chiamati oggetti potenzialmente pericolosi. E poiché questi dati vengono aggiornati frequentemente, dovrebbe essere in grado di contrassegnare gli oggetti che necessitano di ulteriori studi affinché altri telescopi possano osservarli.

Ma il più grande contributo dell'osservatorio potrebbe essere lo studio della materia oscura e dell'energia oscura. Infatti, l'osservatorio prende il nome dall'astronomo americano Vera C. Rubin, che ha scoperto la prima prova della materia oscura attraverso le sue osservazioni di galassie negli anni '60 e '70.

L'Osservatorio Rubin sarà in grado di sondare la misteriosa sostanza della materia oscura osservando l'universo su scala molto ampia.

"Per vedere davvero la materia oscura, beh, non puoi", ha spiegato Reil. "Ma per studiare davvero la materia oscura, devi guardare la scala della galassia."

Osservando la velocità di rotazione delle stelle attorno al bordo di una galassia, puoi calcolare quanta massa deve esserci tra quelle stelle e il centro galattico. Quando lo facciamo, la massa che possiamo vedere non è sufficiente per spiegare quelle rotazioni - "nemmeno abbastanza vicino", ha detto Reil. Quindi c'è una quantità mancante di massa che dobbiamo spiegare. "Questa è la materia oscura", aggiunge.

Un principio simile si applica a interi ammassi di galassie. Osservando le orbite delle galassie all'interno di quegli ammassi, che Rubin potrà osservare con il suo ampio campo visivo, le osservazioni acquisiranno un nuovo livello di potenza statistica. E per studiare il fenomeno correlato dell'energia oscura, un ipotetico tipo di energia che spiega il tasso di espansione dell'universo, gli astronomi possono confrontare la massa calcolata dei grandi oggetti con quella osservata massa.

"Puoi vedere ogni ammasso di galassie che c'è e non puoi ottenere più statistiche di quelle che ottieni dall'intero cielo", ha detto Reil. "Ci sono vantaggi reali nell'avere tutti i dati disponibili sull'argomento rispetto all'avere un piccolo campo visivo."

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