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

Neste år vil astronomiens verden bli enda større med de første operasjonene til Vera C. Rubin-observatoriet. Dette mammutobservatoriet er for tiden under bygging på toppen av Cerro Pachón, et nesten 9000 fot høyt fjell i Chile.

Innhold

  • Verdens største digitalkamera
  • Ser det bredere bildet
  • En dyp, stor himmelundersøkelse

Observatoriet skal huse et 8,4 meter lang teleskop som skal fange lys fra fjerne galakser og kanalisere dette til verdens største digitalkamera, og produsere utrolig dype bilder av det hele sørlig himmel.

Anbefalte videoer

Hvis du noen gang har lurt på hvordan ingeniører skalerer opp digitalkamerateknologi fra noe lite nok til å passe inn i telefonen til noe stort nok til å fange hele galakser, snakket vi med Rubin Observatory-forsker Kevin Reil for å finne ut om dette unike settet og hvordan det kan hjelpe til med å løse noen av de største mysteriene i astronomi.

I slekt

  • Se inn i baren til en spiralgalakse med sperre i det nye James Webb-bildet
  • Se solens gru på nært hold fra verdens kraftigste solteleskop
  • Hubble fanger en englesammenslåing av galakser
Rubin Observatory nettverkstekniker Guido Maulen installerer fiberoptiske kabler på toppen av teleskopfestet.
Rubin Obs/NSF/AURA

Verdens største digitalkamera

På et grunnleggende nivå fungerer Rubin-kameraet på samme måte som et kommersielt digitalkamera som det i mobiltelefonen din - selv om teknologien faktisk er nærmere det for mobiltelefonkameraer fra fem år siden, ettersom det bruker en sensorteknologi kalt CCD i stedet for CMOS, fordi byggingen av observatoriekameraet startet for 10 år siden. Den største forskjellen er når det gjelder skala: telefonkameraet ditt kan ha en oppløsning på 10 megapiksler, men Rubin-kameraet har en tankevekkende 3200 megapiksler.

For å gi deg en mer håndgripelig idé om hvordan 3200 megapiksler ville se ut, ville det ta 378 4K TV-skjermer for å vise ett bilde i full størrelse, i følge SLAC National Accelerator Laboratory, som bygger kameraet. Den typen oppløsning vil tillate deg å se en golfball fra 15 miles unna.

For å oppnå denne typen oppløsning, må hvert element i kameraets maskinvare designes og produseres med ekstrem presisjon. En komponent i kameraet som krever spesielt nøye produksjon er linsene. Det er tre linser som hjelper til med å korrigere eventuelle aberrasjoner i innkommende signaler, og hver av dem må ha en perfekt plettfri overflate.

Medlemmer av LSST-kamerateamet forbereder installasjonen av L3-objektivet på kameraets fokalplan.
Medlemmer av LSST-kamerateamet forbereder installasjonen av L3-objektivet på kameraets fokalplan.Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory

Det er enda vanskeligere å oppnå enn presisjonen som kreves for teleskopspeil, siden begge sider av linsen må være like polert. "Utfordringen er nå, i stedet for én overflate for et speil, har du to overflater som må være perfekte," forklarte Reil. "All optikk for dette observatoriet - linsene og speilene - de er den typen ting det tar år å lage."

Å få de perfekte linsene er ikke engang den vanskeligste delen av den typen sett som trengs for et slikt teleskop. "Det er en kjent teknologi," sa Reil. "Det er vanskelig, men det er selskaper som vet hvordan de skal lage disse linsene."

Der Rubin-kameraet presser seg inn i mye mer sjeldent opptråkket bakke er med sensorene. Med en så utrolig høy oppløsning på 3200 megapiksler, må kameraets 189 sensorer ordnes i en rekke og justeres til de når nøyaktige spesifikasjoner. Hver av disse sensorene har 16 kanaler, så det er 3024 kanaler totalt.

sensorer inne i LSST-kameraet
Farrin Abbott/SLAC National Accelerator Laboratory

"For meg personlig har den største utfordringen vært sensorene," sa Reil. «Å ha 16 avlesningskanaler og 189 sensorer, og å lese dem alle samtidig. Så datainnsamlingen og virkelig å få sensorene til å oppfylle kravene."

Disse kravene til sensorene gjelder ting som et svært lavt nivå av lesestøy - det er den kornete teksturen du vil se når du tar et bilde i mørket med mobiltelefonen. For å minimere denne støyen, som ville forstyrre astronomiske observasjoner, blir sensorene avkjølt til minus 150 grader Fahrenheit. Men selv det kan bare hjelpe så mye, så sensorene må produseres veldig nøye for å redusere lesestøyen - noe bare en håndfull selskaper i verden kan gjøre.

Et annet problem er kameraets fokusplan, som har å gjøre med hvordan kameraet fokuserer. For å holde dette planet helt flatt, innen noen få mikron, må sensorene monteres på en flåte laget av silisiumkarbid, og deretter installeres i kameraet.

En grunnleggende designgjengivelse av LSST-kameraet med et snitt for å vise den indre funksjonen.
SLAC / Rubin Observatory

En viktig måte at kameraet på et teleskop skiller seg fra et vanlig digitalkamera er bruken av filtre. I stedet for å ta bilder i farger, tar teleskopkameraer faktisk svart-hvitt-bilder ved forskjellige bølgelengder. Disse bildene kan deretter kombineres på forskjellige måter for å plukke ut forskjellige astronomiske trekk.

For å gjøre dette er Rubin-kameraet utstyrt med seks filtre, som hver isolerer forskjellige bølgelengder av det elektromagnetiske spekteret - fra det ultrafiolette, gjennom det synlige lysspekteret og inn i infrarød. Disse filtrene er store, runde glassbiter som må flyttes fysisk foran kameraet, så en mekanisme er festet til kameraet for å bytte dem inn og ut etter behov. Et hjul roterer rundt kamerahuset, og bringer det nødvendige filteret til toppen, deretter tar en arm filteret og skyver det på plass mellom linsene.

Til slutt er det lukkeren. Dette består av et to-bladssystem som glir over fronten av linsene og deretter tilbake for å ta et bilde. "Det er ekstremt presist," sa Reil. "Avstanden mellom de bevegelige bladene og linse nummer tre er veldig, veldig nær." Det krever nøye ingeniørarbeid for å sikre at avstanden er nøyaktig korrekt.

Ser det bredere bildet

All denne presisjonsteknikken vil gjøre det mulig for Rubin å være et ekstremt kraftig astronomisk verktøy. Men det er ikke kraftig på samme måte som verktøy som Hubble-romteleskopet eller James Webb-romteleskopet, som er designet for å se på veldig fjerne objekter. I stedet vil Rubin se på hele store biter av himmelen, og kartlegge hele himmelen veldig raskt.

Den vil kartlegge hele den sørlige himmelen en gang i uken, gjenta denne oppgaven om og om igjen og samle rundt 14 terabyte med data hver natt. Ved å ha slike jevnlig oppdaterte bilder kan astronomer sammenligne det som skjedde på en gitt del av himmelen forrige uke med hva er der denne uken - og det lar dem fange raskt utviklende hendelser som supernovaer, for å se hvordan de endrer seg tid.

TMA flytter desember 2022

Så det er ikke bare å samle alle dataene ved hjelp av kameraets maskinvare som er en utfordring, men også å få det behandlet veldig raskt slik at det kan gjøres tilgjengelig for astronomer i tide til at de kan se nye hendelser som de er skjer.

Og dataene vil også bli gjort offentlig tilgjengelige. Du kan velge et hvilket som helst objekt på den sørlige himmelen og hente bilder av det objektet, eller bare bla gjennom undersøkelsesdata som viser himmelen i fantastiske detaljer.

En dyp, stor himmelundersøkelse

I tillegg til å være en ressurs for astronomer som ser på hvordan et bestemt objekt endrer seg over tid, vil Rubin-observatoriet også være viktig for å identifisere objekter nær jorden. Dette er asteroider eller kometer som kommer nær jorden og potensielt kan true planeten vår, men som kan være vanskelig å få øye på fordi de beveger seg over himmelen så raskt.

Med sitt store speil og synsfelt vil Rubin-observatoriet kunne identifisere objekter som kommer spesielt nær jorden og kalles potensielt farlige objekter. Og fordi disse dataene oppdateres ofte, bør de være i stand til å flagge objekter som trenger ytterligere studier for andre teleskoper å observere.

Men observatoriets største bidrag kan være studiet av mørk materie og mørk energi. Faktisk er observatoriet oppkalt etter den amerikanske astronomen Vera C. Rubin, som oppdaget det første beviset på mørk materie gjennom sine observasjoner av galakser på 1960- og 1970-tallet.

Rubin-observatoriet vil være i stand til å undersøke den mystiske substansen til mørk materie ved å se på universet i veldig stor skala.

kunstners skildring av mørk materie

"Å virkelig se mørk materie - vel, du kan ikke," forklarte Reil. "Men for å virkelig studere mørk materie, må du se på galakseskalaen."

Ved å se på hvor raskt stjernene rundt kanten av en galakse roterer, kan du finne ut hvor mye masse det må være mellom disse stjernene og det galaktiske sentrum. Når vi gjør dette, er ikke massen vi kan se nok til å forklare disse rotasjonene - "ikke engang nær nok," sa Reil. Så det mangler en masse masse vi må forklare. "Det er den mørke materien," legger han til.

Et lignende prinsipp gjelder for hele klynger av galakser. Ved å observere banene til galakser innenfor disse klyngene, som Rubin vil være i stand til å observere med sitt brede synsfelt, vil observasjonene få et nytt nivå av statistisk kraft. Og for å studere det relaterte fenomenet mørk energi, en hypotetisk type energi som forklarer hastigheten på utvidelse av universet, kan astronomer sammenligne den beregnede massen av store objekter med deres observerte masse.

"Du får se hver eneste galaksehop som finnes, og du kan ikke få mer statistikk enn du får fra hele himmelen," sa Reil. "Det er virkelige fordeler ved å ha all data tilgjengelig om emnet kontra å ha et lite synsfelt."

Redaktørenes anbefalinger

  • Inne i den gale planen å øse opp og bringe hjem litt av Venus-stemningen
  • James Webb og Keck Observatory ser skyer på Saturns måne Titan
  • Her er hva James Webb-romteleskopet vil sette sikte på neste gang
  • Den største kometen noensinne er på vei, men ikke bekymre deg
  • Et av James Webbs første mål er Jupiter. Her er hvorfor