Binnen in de Vera C. Rubin Observatory (en zijn gigantische camera)

Volgend jaar zal de wereld van de astronomie nog groter worden met de eerste operaties van de Vera C. Rubin-observatorium. Dit gigantische observatorium is momenteel in aanbouw op de top van Cerro Pachón, een bijna 9000 meter hoge berg in Chili.

Het observatorium zal een telescoop van 8,4 meter huisvesten die licht van verre sterrenstelsels zal opvangen kanaliseer dit in 's werelds grootste digitale camera en produceert ongelooflijk diepe beelden van het geheel zuidelijke hemel.

Als je je ooit hebt afgevraagd hoe technici digitale cameratechnologie opschalen van iets dat klein genoeg is om in je telefoon te passen tot iets dat groot genoeg is om hele sterrenstelsels, spraken we met Rubin Observatory-wetenschapper Kevin Reil om meer te weten te komen over dit unieke stuk kit en hoe het zou kunnen helpen bij het ontrafelen van enkele van de grootste mysteries in astronomie.

's Werelds grootste digitale camera

Op een basisniveau werkt de Rubin-camera op dezelfde manier als een commerciële digitale camera zoals die in je mobiele telefoon, hoewel de technologie eigenlijk dichter bij die van mobiele telefooncamera's van vijf jaar geleden, omdat deze een sensortechnologie gebruikt die CCD wordt genoemd in plaats van CMOS, omdat de bouw van de observatoriumcamera 10 jaar geleden begon geleden. Het grootste verschil zit in de schaal: de camera van je telefoon heeft mogelijk een resolutie van 10 megapixels, maar de Rubin-camera heeft een verbluffende 3.200 megapixels.

Om u een tastbaarder idee te geven van hoe 3.200 megapixels eruit zouden zien, zou het 378 4K TV-schermen om één beeld op volledige grootte weer te geven, volgens het SLAC National Accelerator Laboratory, dat de camera aan het bouwen is. Met dat soort resolutie zou je een golfbal op 24 kilometer afstand kunnen zien.

Om dit soort resolutie te bereiken, moet elk element van de camerahardware met uiterste precisie worden ontworpen en vervaardigd. Een onderdeel van de camera dat bijzonder zorgvuldig moet worden vervaardigd, zijn de lenzen. Er zijn drie lenzen om eventuele aberraties in binnenkomende signalen te helpen corrigeren, en elke lens moet een perfect vlekvrij oppervlak hebben.

Dat is nog moeilijker te bereiken dan de precisie die nodig is voor telescoopspiegels, omdat beide zijden van de lens even gepolijst moeten zijn. "De uitdaging is nu dat je in plaats van één oppervlak voor een spiegel twee oppervlakken hebt die perfect moeten zijn", legt Reil uit. "Alle optica voor dit observatorium - de lenzen en de spiegels - het is iets dat jaren nodig heeft om te maken."

Het vinden van de perfecte lenzen is niet eens het moeilijkste onderdeel van het soort kit dat nodig is voor zo'n telescoop. "Het is een bekende technologie," zei Reil. "Het is moeilijk, maar er zijn bedrijven die weten hoe ze deze lenzen moeten maken."

Waar de Rubin-camera veel minder betreden terrein betreedt, is met zijn sensoren. Met zo'n enorm hoge resolutie van 3.200 megapixels, moeten de 189 sensoren van de camera in een reeks worden gerangschikt en aangepast totdat ze de exacte specificaties bereiken. Elk van deze sensoren heeft 16 kanalen, dus dat zijn in totaal 3.024 kanalen.

"Voor mij persoonlijk waren de sensoren de grootste uitdaging", zei Reil. “Om 16 uitleeskanalen en 189 sensoren te hebben, en die allemaal tegelijk uit te lezen. Dus de data-acquisitie, en de sensoren echt aan de eisen laten voldoen.”

Die vereisten voor de sensoren zijn voor zaken als een zeer laag leesruisniveau - dat is de korrelige textuur die je zult zien als je in het donker een foto maakt met je mobiele telefoon. Om deze ruis, die astronomische waarnemingen zou verstoren, te minimaliseren, worden de sensoren gekoeld tot min 150 graden Fahrenheit. Maar zelfs dat kan maar zoveel helpen, dus de sensoren moeten heel zorgvuldig worden vervaardigd om de leesruis te verminderen - iets wat slechts een handvol bedrijven in de wereld kan doen.

Een ander probleem is het brandpuntsvlak van de camera, dat te maken heeft met hoe de camera scherpstelt. Om dit vlak volledig vlak te houden, binnen een paar micron, moeten de sensoren op een vlot van siliciumcarbide worden gemonteerd en vervolgens in de camera worden geïnstalleerd.

Een belangrijke manier waarop de camera op een telescoop verschilt van een typische digitale camera is het gebruik van filters. In plaats van afbeeldingen in kleur vast te leggen, nemen telescoopcamera's eigenlijk zwart-witafbeeldingen op verschillende golflengten. Deze afbeeldingen kunnen vervolgens op verschillende manieren worden gecombineerd om verschillende astronomische kenmerken te onderscheiden.

Hiervoor is de Rubin-camera uitgerust met zes filters, die elk verschillende golflengten isoleren het elektromagnetische spectrum - van het ultraviolet, via het zichtbare lichtspectrum tot in het infrarood. Deze filters zijn grote, ronde stukken glas die fysiek voor de camera moeten worden verplaatst, dus er is een mechanisme aan de camera bevestigd om ze naar behoefte in en uit te wisselen. Een wiel draait rond het lichaam van de camera, waardoor het benodigde filter naar boven wordt gebracht, vervolgens neemt een arm het filter en schuift het op zijn plaats tussen de lenzen.

Eindelijk is er de sluiter. Dit bestaat uit een systeem met twee bladen dat over het gezicht van de lenzen schuift en vervolgens terug om een ​​beeld vast te leggen. "Dat is extreem nauwkeurig," zei Reil. "De afstand tussen die bewegende bladen en lens nummer drie is heel, heel dichtbij." Dat vereist zorgvuldige engineering om ervoor te zorgen dat de afstand precies klopt.

Het bredere plaatje zien

Al deze precisie-engineering zal Rubin in staat stellen een extreem krachtig astronomisch hulpmiddel te zijn. Maar het is niet op dezelfde manier krachtig als hulpmiddelen zoals de Hubble-ruimtetelescoop of de James Webb-ruimtetelescoop, die zijn ontworpen om naar zeer verre objecten te kijken. In plaats daarvan zal Rubin naar hele grote delen van de lucht kijken en heel snel de hele lucht overzien.

Het zal eenmaal per week de hele zuidelijke hemel onderzoeken, deze taak keer op keer herhalen en elke nacht ongeveer 14 terabyte aan gegevens verzamelen. Door zulke regelmatig bijgewerkte beelden te hebben, kunnen astronomen vergelijken wat er vorige week in een bepaald deel van de hemel gebeurde wat is er deze week - en dat stelt hen in staat snel evoluerende gebeurtenissen zoals supernova's te vangen, om te zien hoe ze veranderen tijd.

Het is dus niet alleen een uitdaging om al die gegevens te verzamelen met behulp van de camerahardware, maar ook om ze te krijgen zeer snel verwerkt, zodat het op tijd beschikbaar kan worden gemaakt voor astronomen zodat ze nieuwe gebeurtenissen kunnen zien zoals ze zijn gebeurt.

En de gegevens zullen ook openbaar worden gemaakt. U kunt elk object aan de zuidelijke hemel uitkiezen en beelden van dat object opvragen, of gewoon door onderzoeksgegevens bladeren die de lucht laten zien in verbluffende details.

Een diep, groot luchtonderzoek

Het Rubin Observatory is niet alleen een hulpmiddel voor astronomen om te kijken hoe een bepaald object in de loop van de tijd verandert, het zal ook belangrijk zijn voor het identificeren van objecten die zich in de buurt van de aarde bevinden. Dit zijn asteroïden of kometen die dicht bij de aarde komen en onze planeet mogelijk kunnen bedreigen, maar die moeilijk te herkennen zijn omdat ze zo snel door de lucht bewegen.

Met zijn grote spiegel en gezichtsveld zal het Rubin Observatory objecten kunnen identificeren die bijzonder dicht bij de aarde komen en potentieel gevaarlijke objecten worden genoemd. En omdat deze gegevens vaak worden vernieuwd, zou het in staat moeten zijn objecten te markeren die verder moeten worden bestudeerd zodat andere telescopen ze kunnen observeren.

Maar de grootste bijdrage van het observatorium is misschien wel de studie van donkere materie en donkere energie. In feite is het observatorium vernoemd naar de Amerikaanse astronoom Vera C. Rubin, die het eerste bewijs van donkere materie ontdekte door haar observaties van sterrenstelsels in de jaren zestig en zeventig.

Het Rubin Observatory zal de mysterieuze substantie van donkere materie kunnen onderzoeken door op zeer grote schaal naar het universum te kijken.

"Om donkere materie echt te zien - nou, dat kan niet, " legde Reil uit. "Maar om donkere materie echt te bestuderen, moet je naar de schaal van sterrenstelsels kijken."

Door te kijken hoe snel de sterren rond de rand van een sterrenstelsel draaien, kun je berekenen hoeveel massa er tussen die sterren en het galactische centrum moet zitten. Wanneer we dit doen, is de massa die we kunnen zien niet genoeg om die rotaties te verklaren - "niet eens dichtbij genoeg", zei Reil. Er is dus een ontbrekende hoeveelheid massa die we moeten verklaren. "Dat is de donkere materie", voegt hij eraan toe.

Een soortgelijk principe is van toepassing op hele clusters van sterrenstelsels. Door de banen van sterrenstelsels binnen die clusters te observeren, die Rubin met zijn brede gezichtsveld zal kunnen waarnemen, zullen de waarnemingen een nieuw niveau van statistische kracht krijgen. En om het verwante fenomeen van donkere energie te bestuderen, een hypothetisch type energie dat de snelheid van uitbreiding van het heelal kunnen astronomen de berekende massa van grote objecten vergelijken met hun waargenomen massa massa.

"Je krijgt elke cluster van sterrenstelsels te zien die er is, en je kunt niet meer statistieken krijgen dan vanuit de hele lucht," zei Reil. "Het heeft echte voordelen om alle gegevens over het onderwerp beschikbaar te hebben in plaats van een klein gezichtsveld."

Aanbevelingen van de redactie

• Binnen het gekke plan om een ​​beetje van de Venus-sfeer op te scheppen en mee naar huis te nemen
• James Webb en Keck Observatory zien wolken op Saturnusmaan Titan
• Dit is waar de James Webb Space Telescope zijn zinnen op zal zetten
• De grootste komeet ooit gezien komt onze kant op, maar maak je geen zorgen
• Een van de eerste doelen van James Webb is Jupiter. Dit is waarom