În interiorul Vera C. Observatorul Rubin (și camera sa gigantică)

Anul viitor, lumea astronomiei va deveni și mai mare odată cu primele operațiuni ale Vera C. Observatorul Rubin. Acest observator mamut este în prezent în construcție la vârful Cerro Pachón, un munte de aproape 9.000 de metri înălțime din Chile.

Observatorul va găzdui un telescop de 8,4 metri care va capta lumina din galaxiile îndepărtate și canalizează acest lucru în cea mai mare cameră digitală din lume, producând imagini incredibil de profunde ale întregului cerul sudic.

Dacă v-ați întrebat vreodată cum inginerii extind tehnologia camerelor digitale de la ceva suficient de mic pentru a încăpea în telefonul dvs. la ceva suficient de mare pentru a captura întregul galaxii, am vorbit cu cercetătorul de la Observatorul Rubin, Kevin Reil, pentru a afla despre această piesă unică de kit și cum ar putea ajuta la dezvăluirea unora dintre cele mai mari mistere din astronomie.

Cea mai mare cameră digitală din lume

La un nivel de bază, camera Rubin funcționează la fel ca o cameră digitală comercială, cum ar fi cea din telefonul mobil - deși tehnologia sa este de fapt mai aproape de cea a camerelor pentru telefoane mobile de acum cinci ani, deoarece folosește o tehnologie cu senzori numită CCD în loc de CMOS, deoarece construirea camerei observatorului a început de 10 ani. în urmă. Cea mai mare diferență este în ceea ce privește scara: camera telefonului dvs. poate avea o rezoluție de 10 megapixeli, dar camera Rubin are 3.200 de megapixeli.

Pentru a vă oferi o idee mai tangibilă despre cum ar arăta 3.200 de megapixeli, ar fi nevoie de 378 4K Ecrane TV pentru a afișa o imagine la dimensiune completă, conform Laboratorul național de accelerație SLAC, care construiește camera. Acest tip de rezoluție ți-ar permite să vezi o minge de golf de la 15 mile distanță.

Pentru a obține acest tip de rezoluție, fiecare element al hardware-ului camerei trebuie proiectat și fabricat cu o precizie extremă. O componentă a camerei care necesită o producție deosebit de atentă sunt obiectivele. Există trei lentile pentru a ajuta la corectarea oricăror aberații în semnalele de intrare și fiecare trebuie să aibă o suprafață perfect fără cusur.

Acest lucru este chiar mai dificil de realizat decât precizia necesară pentru oglinzile telescopului, deoarece ambele părți ale lentilei trebuie lustruite în mod egal. „Provocarea este că acum, în loc de o suprafață pentru o oglindă, aveți două suprafețe care trebuie să fie perfecte”, a explicat Reil. „Toată optica pentru acest observator – lentilele și oglinzile – sunt genul de lucruri care necesită ani de zile pentru a fi create.”

Obținerea lentilelor perfecte nu este nici măcar cea mai grea parte a tipului de kit necesar pentru un astfel de telescop. „Este o tehnologie cunoscută”, a spus Reil. „Este greu, dar există companii care știu să facă aceste lentile.”

Acolo unde camera Rubin împinge într-un teren mult mai rar călcat este cu senzorii săi. Cu o rezoluție atât de mare de 3.200 de megapixeli, cei 189 de senzori ai camerei trebuie aranjați într-o matrice și ajustați până când ajung la specificații exacte. Fiecare dintre acești senzori are 16 canale, deci 3.024 de canale în total.

„Pentru mine personal, cea mai mare provocare au fost senzorii”, a spus Reil. „Să aibă 16 canale de citire și 189 de senzori și să le citească pe toate în același timp. Așadar, achiziția de date și a face ca senzorii să îndeplinească cerințele.”

Aceste cerințe pentru senzori sunt pentru lucruri precum un nivel foarte scăzut de zgomot de citit - aceasta este textura granulată pe care o veți vedea când faceți o fotografie în întuneric folosind telefonul mobil. Pentru a minimiza acest zgomot, care ar perturba observațiile astronomice, senzorii sunt răciți la minus 150 de grade Fahrenheit. Dar chiar și asta poate ajuta atât de mult, așa că senzorii trebuie să fie fabricați cu mare atenție pentru a reduce zgomotul citit - ceva ce doar o mână de companii din lume poate face.

O altă problemă este cu planul focal al camerei, care are de-a face cu modul în care camera focalizează. Pentru a menține acest plan complet plat, în câțiva microni, senzorii trebuie montați pe o plută din carbură de siliciu, apoi instalați în cameră.

Un mod cheie în care camera de pe un telescop diferă de o cameră digitală tipică este utilizarea filtrelor. În loc să capteze imagini color, camerele telescopului realizează imagini alb-negru la diferite lungimi de undă. Aceste imagini pot fi apoi combinate în moduri diferite pentru a identifica diferite caracteristici astronomice.

Pentru a face acest lucru, camera Rubin este echipată cu șase filtre, fiecare dintre ele izolând diferite lungimi de undă spectrul electromagnetic - de la ultraviolete, prin spectrul luminii vizibile și în infraroşu. Aceste filtre sunt bucăți mari, rotunde de sticlă care trebuie mutate fizic în fața camerei, așa că un mecanism este atașat la cameră pentru a le schimba înăuntru și în afara după cum este necesar. O roată se rotește în jurul corpului camerei, aducând filtrul necesar în partea de sus, apoi un braț ia filtrul și îl glisează în poziție între lentile.

În cele din urmă, există obturatorul. Acesta constă într-un sistem cu două lame care alunecă pe fața lentilelor și apoi înapoi pentru a captura o imagine. „Este extrem de precis”, a spus Reil. „Distanța dintre acele lame în mișcare și lentila numărul trei este foarte, foarte apropiată.” Acest lucru necesită o inginerie atentă pentru a vă asigura că distanța este exact corectă.

Văzând imaginea mai largă

Toată această inginerie de precizie va permite lui Rubin să fie un instrument astronomic extrem de puternic. Dar nu este puternic în același mod ca instrumentele precum telescopul spațial Hubble sau telescopul spațial James Webb, care sunt concepute pentru a privi obiecte foarte îndepărtate. În schimb, Rubin se va uita la bucăți întregi uriașe de cer, cercetând întregul cer foarte repede.

Acesta va cerceta întregul cer sudic o dată pe săptămână, repetând această sarcină iar și iar și colectând aproximativ 14 terabytes de date în fiecare noapte. Având astfel de imagini actualizate în mod regulat, astronomii pot compara ceea ce s-a întâmplat într-o anumită zonă de cer săptămâna trecută cu ce este acolo săptămâna aceasta - și asta le permite să prindă evenimente cu evoluție rapidă, cum ar fi supernove, pentru a vedea cum se schimbă timp.

Deci, nu doar colectarea tuturor acestor date folosind hardware-ul camerei este o provocare, ci și obținerea acestora procesat foarte rapid, astfel încât să poată fi pus la dispoziția astronomilor la timp pentru ca aceștia să vadă evenimente noi așa cum sunt petrecându-se.

Și datele vor fi făcute publice, de asemenea. Veți putea să alegeți orice obiect de pe cerul sudic și să trageți imagini ale acelui obiect sau pur și simplu să răsfoiți datele sondajului care arată cerul cu detalii uluitoare.

Un studiu profund și mare al cerului

Pe lângă faptul că este o resursă pentru astronomii care se uită la modul în care un anumit obiect se schimbă în timp, Observatorul Rubin va fi, de asemenea, important pentru identificarea obiectelor din apropierea Pământului. Aceștia sunt asteroizi sau comete care se apropie de Pământ și ar putea amenința planeta noastră, dar care pot fi greu de observat deoarece se deplasează pe cer atât de repede.

Cu oglinda sa mare și câmpul vizual, Observatorul Rubin va putea identifica obiectele care se apropie în mod deosebit de Pământ și sunt numite obiecte potențial periculoase. Și pentru că aceste date sunt reîmprospătate frecvent, ar trebui să poată semnala obiectele care au nevoie de studii suplimentare pentru ca alte telescoape să le poată observa.

Dar cea mai mare contribuție a observatorului poate fi la studiul materiei întunecate și al energiei întunecate. De fapt, observatorul poartă numele astronomului american Vera C. Rubin, care a descoperit primele dovezi ale materiei întunecate prin observațiile sale asupra galaxiilor în anii 1960 și 1970.

Observatorul Rubin va putea sonda substanța misterioasă a materiei întunecate, privind universul la scară foarte mare.

„Să vezi cu adevărat materia întunecată – ei bine, nu poți”, a explicat Reil. „Dar pentru a studia cu adevărat materia întunecată, trebuie să te uiți la scara galaxiei.”

Privind cât de repede se rotesc stelele din jurul marginii unei galaxii, puteți afla cât de multă masă trebuie să fie între acele stele și centrul galactic. Când facem acest lucru, masa pe care o putem vedea nu este suficientă pentru a explica acele rotații - „nici măcar aproape de suficient”, a spus Reil. Deci lipsește o cantitate de masă pe care trebuie să o explicăm. „Aceasta este materia întunecată”, adaugă el.

Un principiu similar se aplică clusterelor întregi de galaxii. Prin observarea orbitelor galaxiilor din cadrul acelor clustere, pe care Rubin le va putea observa cu câmpul său larg de vedere, observațiile vor câștiga un nou nivel de putere statistică. Și pentru a studia fenomenul conex al energiei întunecate, un tip ipotetic de energie care explică rata de expansiunea universului, astronomii pot compara masa calculată a obiectelor mari cu cea observată masa.

„Poți vedea fiecare cluster de galaxii care există și nu poți obține mai multe statistici decât obții de pe întreg cerul”, a spus Reil. „Există avantaje reale de a avea toate datele disponibile despre subiect față de a avea un câmp vizual mic.”

Recomandările editorilor

• În planul nebunesc de a culege și aduce acasă un pic din atmosfera lui Venus
• James Webb și Observatorul Keck văd nori pe Titan, luna lui Saturn
• Iată pe ce își va fixa telescopul spațial James Webb în continuare
• Cea mai mare cometă văzută vreodată vine în calea noastră, dar nu vă faceți griji
• Una dintre primele ținte ale lui James Webb este Jupiter. Iata de ce