Vo vnútri Vera C. Observatórium Rubin (a jeho obrovská kamera)

Budúci rok sa svet astronómie ešte zväčší s prvými operáciami Vera C. Rubinovo observatórium. Toto mamutie observatórium je v súčasnosti vo výstavbe na vrchole Cerro Pachón, takmer 9000 stôp vysokej hory v Čile.

V observatóriu bude umiestnený 8,4-metrový ďalekohľad, ktorý bude zachytávať svetlo zo vzdialených galaxií a nasmerujte to do najväčšieho digitálneho fotoaparátu na svete, ktorý vytvára neuveriteľne hlboké snímky celku južná obloha.

Ak ste sa niekedy zamysleli nad tým, ako inžinieri zväčšili technológiu digitálnych fotoaparátov z niečoho dostatočne malého, aby sa zmestilo do telefónu, na niečo dostatočne veľké na zachytenie celého galaxie, sme sa porozprávali s vedcom z Rubinovho observatória Kevinom Reilom, aby sme sa dozvedeli o tejto jedinečnej súprave a o tom, ako by mohla pomôcť odhaliť niektoré z najväčších záhad v astronómia.

Najväčší digitálny fotoaparát na svete

Kamera Rubin na základnej úrovni funguje rovnako ako komerčný digitálny fotoaparát, ako je ten vo vašom mobilnom telefóne – hoci jeho technológia je v skutočnosti bližšie fotoaparáty mobilných telefónov spred piatich rokov, pretože namiesto CMOS používa technológiu snímača nazývanú CCD, pretože budovanie kamery observatória sa začalo pred 10 rokmi pred. Najväčší rozdiel je v mierke: fotoaparát vášho telefónu môže mať rozlíšenie 10 megapixelov, ale fotoaparát Rubin má ohromujúcich 3 200 megapixelov.

Aby ste mali hmatateľnejšiu predstavu o tom, ako by vyzeralo 3 200 megapixelov, potrebovalo by to 378 4K TV obrazovky na zobrazenie jedného obrázka v plnej veľkosti, podľa SLAC National Accelerator Laboratory, ktoré kameru konštruuje. Takéto rozlíšenie by vám umožnilo vidieť golfovú loptičku zo vzdialenosti 15 míľ.

Na dosiahnutie tohto druhu rozlíšenia musí byť každý prvok hardvéru fotoaparátu navrhnutý a vyrobený s extrémnou presnosťou. Jedným komponentom fotoaparátu, ktorý si vyžaduje obzvlášť starostlivú výrobu, sú šošovky. Existujú tri šošovky, ktoré pomáhajú korigovať akékoľvek odchýlky v prichádzajúcich signáloch, a každá z nich musí mať dokonale bezchybný povrch.

To je ešte ťažšie dosiahnuť ako presnosť požadovaná pre zrkadlá teleskopov, pretože obe strany šošovky musia byť rovnako vyleštené. „Výzvou je, že teraz namiesto jedného povrchu pre zrkadlo máte dva povrchy, ktoré musia byť dokonalé,“ vysvetlil Reil. "Všetka optika pre toto observatórium - šošovky a zrkadlá - sú také veci, ktorých vytvorenie trvá roky."

Získanie dokonalých šošoviek nie je ani tou najťažšou súčasťou súpravy potrebnej pre takýto ďalekohľad. "Je to známa technológia," povedal Reil. "Je to ťažké, ale existujú spoločnosti, ktoré vedia, ako tieto šošovky vyrobiť."

Kamera Rubin tlačí do oveľa zriedkavejšie prešľapanej pôdy svojimi senzormi. S takým ohromne vysokým rozlíšením 3 200 megapixelov je potrebné 189 senzorov fotoaparátu usporiadať do poľa a vyladiť, kým nedosiahnu presné špecifikácie. Každý z týchto senzorov má 16 kanálov, čiže spolu 3 024 kanálov.

"Pre mňa osobne boli najväčšou výzvou senzory," povedal Reil. „Mať 16 čítacích kanálov a 189 senzorov a čítať ich všetky naraz. Takže získavanie údajov a skutočné prispôsobenie senzorov požiadavkám."

Tieto požiadavky na senzory sa týkajú vecí, ako je veľmi nízka úroveň šumu pri čítaní – to je zrnitá textúra, ktorú uvidíte, keď fotíte v tme pomocou mobilného telefónu. Aby sa minimalizoval tento šum, ktorý by narúšal astronomické pozorovania, senzory sú ochladené na mínus 150 stupňov Fahrenheita. Ale aj to môže veľmi pomôcť, takže senzory musia byť vyrobené veľmi opatrne, aby sa znížil šum pri čítaní - niečo, čo môže urobiť len niekoľko spoločností na svete.

Ďalším problémom je ohnisková rovina fotoaparátu, ktorá súvisí s tým, ako fotoaparát zaostruje. Aby táto rovina zostala úplne plochá, v rozmedzí niekoľkých mikrónov, musia byť senzory namontované na plť vyrobenú z karbidu kremíka a potom nainštalované do kamery.

Kľúčovým spôsobom, akým sa kamera na ďalekohľade líši od typického digitálneho fotoaparátu, je použitie filtrov. Namiesto toho, aby kamery teleskopu zachytávali obrázky vo farbe, snímajú čiernobiele obrázky v rôznych vlnových dĺžkach. Tieto obrázky sa potom môžu rôznymi spôsobmi kombinovať, aby sa získali rôzne astronomické prvky.

Na tento účel je kamera Rubin vybavená šiestimi filtrami, z ktorých každý izoluje rôzne vlnové dĺžky elektromagnetického spektra — od ultrafialového, cez spektrum viditeľného svetla až po infračervené. Tieto filtre sú veľké, okrúhle kusy skla ktoré je potrebné fyzicky presunúť pred kameru, takže ku kamere je pripevnený mechanizmus, ktorý ich podľa potreby zamieňa. Okolo tela fotoaparátu sa otáča koliesko, čím sa požadovaný filter dostane nahor, potom filter vezme rameno a zasunie ho na miesto medzi šošovky.

Nakoniec je tu uzávierka. Pozostáva zo systému dvoch čepelí, ktoré sa posúvajú po prednej strane šošoviek a potom späť, aby zachytili obrázok. "To je veľmi presné," povedal Reil. "Vzdialenosť medzi tými pohyblivými čepeľami a šošovkou číslo tri je veľmi, veľmi blízko." To si vyžaduje starostlivé inžinierstvo, aby ste sa uistili, že rozstup je presne správny.

Vidieť širší obraz

Všetko toto presné inžinierstvo umožní Rubinu stať sa extrémne výkonným astronomickým nástrojom. Nie je však tak výkonný ako nástroje ako Hubbleov vesmírny teleskop alebo Vesmírny teleskop Jamesa Webba, ktoré sú určené na pozorovanie veľmi vzdialených objektov. Namiesto toho sa Rubin pozrie na celé obrovské kusy oblohy a veľmi rýchlo preskúma celú oblohu.

Raz týždenne bude skúmať celú južnú oblohu, pričom túto úlohu bude opakovať znova a znova a každú noc zhromaždí približne 14 terabajtov údajov. Vďaka takýmto pravidelne aktualizovaným snímkam môžu astronómovia porovnávať to, čo sa stalo na danom mieste na oblohe minulý týždeň čo je tento týždeň – a to im umožňuje zachytiť rýchlo sa vyvíjajúce udalosti, ako sú supernovy, aby videli, ako sa menia čas.

Výzvou teda nie je len zhromažďovanie všetkých týchto údajov pomocou hardvéru fotoaparátu, ale aj ich získavanie spracované veľmi rýchlo, takže môžu byť včas sprístupnené astronómom, aby videli nové udalosti také, aké sú deje.

A údaje budú tiež verejne dostupné. Budete si môcť vybrať akýkoľvek objekt na južnej oblohe a vytiahnuť obrázky tohto objektu, alebo si len prezerať údaje z prieskumu zobrazujúce oblohu. v úchvatných detailoch.

Hlboký, veľký prieskum oblohy

Observatórium Rubin bude okrem toho, že je zdrojom pre astronómov, ktorí sledujú, ako sa konkrétny objekt mení v priebehu času, dôležité aj pre identifikáciu objektov v blízkosti Zeme. Sú to asteroidy alebo kométy, ktoré sa približujú k Zemi a potenciálne by mohli ohroziť našu planétu, no môže byť ťažké ich spozorovať, pretože sa pohybujú po oblohe tak rýchlo.

Vďaka veľkému zrkadlu a zornému poľu bude observatórium Rubin schopné identifikovať objekty, ktoré sa približujú mimoriadne blízko k Zemi a nazývajú sa potenciálne nebezpečné objekty. A keďže sa tieto údaje často obnovujú, malo by byť možné označiť objekty, ktoré potrebujú ďalšie štúdium, aby ich mohli pozorovať iné teleskopy.

Najväčším prínosom observatória však môže byť štúdium temnej hmoty a temnej energie. V skutočnosti je observatórium pomenované po americkej astronómke Vere C. Rubin, ktorá objavila prvé dôkazy o temnej hmote prostredníctvom svojich pozorovaní galaxií v 60. a 70. rokoch 20. storočia.

Observatórium Rubin bude schopné skúmať záhadnú substanciu temnej hmoty tak, že sa na vesmír pozrie vo veľmi veľkom meradle.

"Naozaj vidieť temnú hmotu - no, nemôžete," vysvetlil Reil. "Ale ak chcete skutočne študovať temnú hmotu, musíte sa pozrieť na škálu galaxií."

Keď sa pozriete na to, ako rýchlo sa hviezdy okolo okraja galaxie otáčajú, môžete zistiť, koľko hmoty musí byť medzi týmito hviezdami a galaktickým centrom. Keď to urobíme, hmotnosť, ktorú môžeme vidieť, nestačí na vysvetlenie týchto rotácií – „ani zďaleka nie,“ povedal Reil. Takže je tu chýbajúce množstvo hmoty, ktoré musíme vysvetliť. "To je temná hmota," dodáva.

Podobný princíp platí pre celé zhluky galaxií. Pozorovaním obežných dráh galaxií v rámci týchto zhlukov, ktoré bude môcť Rubin pozorovať pomocou širokého zorného poľa, získajú pozorovania novú úroveň štatistickej sily. A študovať súvisiaci fenomén temnej energie, hypotetického typu energie, ktorý vysvetľuje rýchlosť expanzie vesmíru môžu astronómovia porovnať vypočítanú hmotnosť veľkých objektov s ich pozorovanými omša.

"Môžete vidieť každú kopu galaxií, ktorá existuje, a nemôžete získať viac štatistík ako z celej oblohy," povedal Reil. "Mať k dispozícii všetky údaje o predmete má skutočné výhody v porovnaní s malým zorným poľom."

Odporúčania redaktorov

• Vnútri bláznivého plánu nabrať a priniesť domov trochu atmosféry Venuše
• James Webb a Keck Observatory vidia oblaky na Saturnovom mesiaci Titan
• Tu je to, na čo sa vesmírny teleskop Jamesa Webba zameria nabudúce
• Najväčšia kométa, akú sme kedy videli, sa blíži k nám, ale nebojte sa
• Jedným z prvých cieľov Jamesa Webba je Jupiter. Tu je dôvod