Wewnątrz Vera C. Obserwatorium Rubina (i jego gigantyczna kamera)

W przyszłym roku świat astronomii powiększy się jeszcze bardziej dzięki pierwszym operacjom sondy Vera C. Obserwatorium Rubina. To gigantyczne obserwatorium jest obecnie w budowie na szczycie Cerro Pachón, prawie 9000-metrowej góry w Chile.

Obserwatorium będzie mieścić 8,4-metrowy teleskop, który będzie przechwytywał światło z odległych galaktyk i skierować to do największego na świecie aparatu cyfrowego, tworząc niewiarygodnie głębokie obrazy całości niebo południowe.

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, w jaki sposób inżynierowie skalują technologię aparatów cyfrowych, od czegoś na tyle małego, by zmieścić się w telefonie, do czegoś na tyle dużego, by uchwycić całą galaktyk, rozmawialiśmy z naukowcem z Obserwatorium Rubin, Kevinem Reilem, aby dowiedzieć się o tym wyjątkowym elemencie zestawu i o tym, jak może pomóc w rozwikłaniu niektórych z największych tajemnic astronomia.

Największy na świecie aparat cyfrowy

Na podstawowym poziomie aparat Rubin działa tak samo, jak komercyjny aparat cyfrowy, taki jak ten w telefonie komórkowym — chociaż jego technologia jest w rzeczywistości bliższa aparatów w telefonach komórkowych sprzed pięciu lat, ponieważ zamiast CMOS wykorzystuje technologię matrycy o nazwie CCD, ponieważ budowa kamery obserwatorium rozpoczęła się 10 lat temu. Największa różnica dotyczy skali: aparat w telefonie może mieć rozdzielczość ok 10 megapikseli, ale aparat Rubin ma oszałamiającą rozdzielczość 3200 megapikseli.

Aby dać bardziej namacalne wyobrażenie o tym, jak wyglądałoby 3200 megapikseli, potrzeba by 378 4K ekrany telewizorów do wyświetlania jednego obrazu w pełnym rozmiarze, według SLAC National Accelerator Laboratory, które konstruuje kamerę. Taka rozdzielczość pozwoliłaby zobaczyć piłeczkę golfową z odległości 15 mil.

Aby osiągnąć tego rodzaju rozdzielczość, każdy element aparatu fotograficznego musi być zaprojektowany i wyprodukowany z niezwykłą precyzją. Jednym z elementów aparatu, który wymaga szczególnie starannego wykonania, są obiektywy. Istnieją trzy soczewki, które pomagają korygować wszelkie aberracje w przychodzących sygnałach, a każda z nich musi mieć idealnie wolną od skaz powierzchnię.

Jest to jeszcze trudniejsze do osiągnięcia niż precyzja wymagana w przypadku zwierciadeł teleskopu, ponieważ obie strony soczewki muszą być jednakowo wypolerowane. „Wyzwanie polega na tym, że zamiast jednej powierzchni lustra mamy dwie powierzchnie, które muszą być idealne” — wyjaśnił Reil. „Cała optyka tego obserwatorium – soczewki i lustra – to coś, czego stworzenie zajmuje lata”.

Zdobycie idealnych soczewek nie jest nawet najtrudniejszą częścią zestawu potrzebnego do takiego teleskopu. „To znana technologia” — powiedział Reil. „To trudne, ale są firmy, które wiedzą, jak zrobić te soczewki”.

Tam, gdzie kamera Rubin pcha się na znacznie rzadziej wydeptany grunt, są jej czujniki. Przy tak niesamowicie wysokiej rozdzielczości 3200 megapikseli, 189 czujników aparatu musi być ułożonych w matrycę i dostosowywanych, aż osiągną dokładne specyfikacje. Każdy z tych czujników ma 16 kanałów, co daje łącznie 3024 kanały.

„Dla mnie osobiście największym wyzwaniem były czujniki” — powiedział Reil. „Aby mieć 16 kanałów odczytowych i 189 czujników i odczytywać je wszystkie w tym samym czasie. Tak więc gromadzenie danych i rzeczywiste dostosowanie czujników do wymagań”.

Te wymagania dotyczące czujników dotyczą takich rzeczy, jak bardzo niski poziom szumu odczytu — to ziarnista tekstura, którą zobaczysz, robiąc zdjęcie w ciemności za pomocą telefonu komórkowego. Aby zminimalizować ten hałas, który zakłócałby obserwacje astronomiczne, czujniki są schładzane do minus 150 stopni Fahrenheita. Ale nawet to może tylko pomóc, więc czujniki muszą być produkowane bardzo ostrożnie, aby zredukować szum odczytu - coś, co może zrobić tylko garstka firm na świecie.

Innym problemem jest płaszczyzna ogniskowa aparatu, która ma związek z tym, jak aparat ustawia ostrość. Aby płaszczyzna była całkowicie płaska z dokładnością do kilku mikronów, czujniki muszą być zamontowane na tratwie wykonanej z węglika krzemu, a następnie zainstalowane w aparacie.

Kluczowym sposobem, w jaki aparat w teleskopie różni się od typowego aparatu cyfrowego, jest zastosowanie filtrów. Zamiast rejestrować obrazy w kolorze, kamery teleskopowe w rzeczywistości wykonują czarno-białe obrazy na różnych długościach fal. Obrazy te można następnie łączyć na różne sposoby, aby wybrać różne cechy astronomiczne.

W tym celu kamera Rubin jest wyposażona w sześć filtrów, z których każdy izoluje różne długości fal widmo elektromagnetyczne — od ultrafioletu, poprzez widmo światła widzialnego, aż po podczerwień. Te filtry są duże, okrągłe kawałki szkła które muszą być fizycznie przesunięte przed aparat, więc do aparatu przymocowany jest mechanizm umożliwiający ich wkładanie i wyjmowanie w razie potrzeby. Koło obraca się wokół korpusu aparatu, podnosząc wymagany filtr do góry, a następnie ramię bierze filtr i wsuwa go na miejsce między obiektywami.

Wreszcie jest migawka. Składa się z systemu dwóch ostrzy, który przesuwa się po powierzchni soczewek, a następnie z powrotem, aby uchwycić obraz. – To niezwykle precyzyjne – powiedział Reil. „Odległość między tymi ruchomymi ostrzami a soczewką numer trzy jest bardzo, bardzo mała”. Wymaga to starannej inżynierii, aby upewnić się, że odstępy są dokładnie prawidłowe.

Widząc szerszy obraz

Cała ta precyzyjna inżynieria pozwoli Rubinowi stać się niezwykle potężnym narzędziem astronomicznym. Ale nie jest tak potężny jak narzędzia takie jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, które są przeznaczone do patrzenia na bardzo odległe obiekty. Zamiast tego Rubin będzie patrzył na całe ogromne kawałki nieba, bardzo szybko badając całe niebo.

Raz w tygodniu będzie badać całe południowe niebo, powtarzając to zadanie w kółko i zbierając około 14 terabajtów danych każdej nocy. Dysponując takimi regularnie aktualizowanymi zdjęciami, astronomowie mogą porównać to, co wydarzyło się na danym skrawku nieba w zeszłym tygodniu co jest w tym tygodniu — i to pozwala im uchwycić szybko zmieniające się wydarzenia, takie jak supernowe, aby zobaczyć, jak się zmieniają czas.

Wyzwaniem jest więc nie tylko gromadzenie wszystkich tych danych za pomocą sprzętu fotograficznego, ale także ich pozyskiwanie przetwarzane bardzo szybko, aby można je było udostępnić astronomom na czas, aby mogli zobaczyć nowe wydarzenia takimi, jakie są wydarzenie.

Dane zostaną również udostępnione publicznie. Będziesz mógł wybrać dowolny obiekt na południowym niebie i wyświetlić zdjęcia tego obiektu lub po prostu przeglądać dane pomiarowe przedstawiające niebo w oszałamiających szczegółach.

Głęboki, duży przegląd nieba

Obserwatorium Rubina będzie nie tylko źródłem informacji dla astronomów obserwujących, jak dany obiekt zmienia się w czasie, ale także pomoże zidentyfikować obiekty bliskie Ziemi. Są to asteroidy lub komety, które zbliżają się do Ziemi i mogą potencjalnie zagrozić naszej planecie, ale które mogą być trudne do wykrycia, ponieważ poruszają się po niebie tak szybko.

Dzięki dużemu zwierciadle i polu widzenia Obserwatorium Rubina będzie w stanie identyfikować obiekty, które zbliżają się szczególnie blisko Ziemi i są nazywane obiektami potencjalnie niebezpiecznymi. A ponieważ dane te są często odświeżane, powinny być w stanie oznaczyć obiekty, które wymagają dalszych badań, aby inne teleskopy mogły je obserwować.

Ale największym wkładem obserwatorium może być badanie ciemnej materii i ciemnej energii. W rzeczywistości obserwatorium nosi imię amerykańskiej astronomki Very C. Rubin, która odkryła pierwsze dowody na istnienie ciemnej materii poprzez obserwacje galaktyk w latach 60. i 70. XX wieku.

Obserwatorium Rubina będzie w stanie badać tajemniczą substancję ciemnej materii, patrząc na wszechświat w bardzo dużej skali.

„Aby naprawdę zobaczyć ciemną materię – cóż, nie możesz” – wyjaśnił Reil. „Ale aby naprawdę badać ciemną materię, trzeba spojrzeć na skalę galaktyki”.

Obserwując, jak szybko obracają się gwiazdy wokół krawędzi galaktyki, możesz obliczyć, ile masy musi znajdować się między tymi gwiazdami a centrum galaktyki. Kiedy to robimy, masa, którą widzimy, nie jest wystarczająca, aby wyjaśnić te obroty – „nawet nie jest wystarczająco blisko” – powiedział Reil. Brakuje więc masy, którą musimy wyjaśnić. „To jest ciemna materia” – dodaje.

Podobna zasada dotyczy całych gromad galaktyk. Obserwując orbity galaktyk w tych gromadach, które Rubin będzie mógł obserwować swoim szerokim polem widzenia, obserwacje zyskają nowy poziom mocy statystycznej. I zbadanie powiązanego zjawiska ciemnej energii, hipotetycznego rodzaju energii, który wyjaśnia szybkość ekspansji wszechświata astronomowie mogą porównywać obliczoną masę dużych obiektów z ich obserwowaną masą masa.

„Możesz zobaczyć każdą istniejącą gromadę galaktyk i nie możesz uzyskać więcej statystyk niż z całego nieba” – powiedział Reil. „Istnieją prawdziwe zalety posiadania wszystkich dostępnych danych na dany temat w porównaniu z małym polem widzenia”.

Zalecenia redaktorów

• Wewnątrz szalonego planu zebrania i sprowadzenia do domu odrobiny atmosfery Wenus
• James Webb i Keck Observatory widzą chmury na księżycu Saturna, Tytanie
• Oto, na co w następnej kolejności skupi się Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
• Największa kometa, jaką kiedykolwiek widziano, zbliża się do nas, ale nie martw się
• Jednym z pierwszych celów Jamesa Webba jest Jowisz. Dlatego