Inuti Vera C. Rubin Observatory (och dess gigantiska kamera)

Nästa år kommer astronomivärlden att bli ännu större med de första operationerna av Vera C. Rubin observatorium. Detta mastodontobservatorium är för närvarande under uppbyggnad på toppen av Cerro Pachón, ett nästan 9 000 fot högt berg i Chile.

Observatoriet kommer att inrymma ett 8,4-meters teleskop som kommer att fånga ljus från avlägsna galaxer och kanalisera detta till världens största digitalkamera och producerar otroligt djupa bilder av det hela södra himlen.

Om du någonsin har undrat hur ingenjörer skalar upp digitalkamerateknik från något litet nog att passa in i din telefon till något stort nog att fånga hela galaxer talade vi med Rubin Observatory-forskaren Kevin Reil för att ta reda på detta unika kit och hur det kan hjälpa till att reda ut några av de största mysterierna i astronomi.

Världens största digitalkamera

På en grundläggande nivå fungerar Rubin-kameran på samma sätt som en kommersiell digitalkamera som den i din mobiltelefon - även om dess teknik faktiskt är närmare den för mobiltelefonkameror från fem år sedan, eftersom den använder en sensorteknik som kallas CCD istället för CMOS, eftersom byggnaden av observatoriekameran började för 10 år sedan. Den största skillnaden är i fråga om skala: din telefonkamera kan ha en upplösning på 10 megapixlar, men Rubin-kameran har en häpnadsväckande 3 200 megapixel.

För att ge dig en mer påtaglig uppfattning om hur 3 200 megapixlar skulle se ut skulle det ta 378 4K TV-skärmar för att visa en bild i full storlek, enligt SLAC National Accelerator Laboratory, som konstruerar kameran. Den typen av upplösning skulle tillåta dig att se en golfboll på 15 mils avstånd.

För att uppnå denna typ av upplösning måste varje del av kamerans hårdvara designas och tillverkas med extrem precision. En komponent i kameran som kräver särskilt noggrann tillverkning är linserna. Det finns tre linser för att korrigera eventuella avvikelser i inkommande signaler, och var och en måste ha en perfekt fläckfri yta.

Det är ännu svårare att uppnå än den precision som krävs för teleskopspeglar, eftersom båda sidor av linsen behöver vara lika polerade. "Utmaningen är nu, istället för en yta för en spegel, har du två ytor som måste vara perfekta," förklarade Reil. "All optik för detta observatorium - linserna och speglarna - de är sådana saker som tar år att skapa."

Att få de perfekta linserna är inte ens den svåraste delen av den typ av kit som behövs för ett sådant teleskop. "Det är en känd teknik," sa Reil. "Det är svårt, men det finns företag som vet hur man gör dessa linser."

Där Rubin-kameran trycker in i mycket mer sällan upptrampad mark är med sina sensorer. Med en så oerhört hög upplösning på 3 200 megapixlar måste kamerans 189 sensorer ordnas i en array och justeras tills de når exakta specifikationer. Var och en av dessa sensorer har 16 kanaler, så det är 3 024 kanaler totalt.

"För mig personligen har den största utmaningen varit sensorerna," sa Reil. "Att ha 16 avläsningskanaler och 189 sensorer, och att läsa ut alla samtidigt. Så datainsamlingen och att verkligen få sensorerna att uppfylla kraven.”

Dessa krav för sensorerna gäller saker som en mycket låg nivå av läsbrus - det är den korniga strukturen som du kommer att se när du tar ett foto i mörkret med din mobiltelefon. För att minimera detta brus, som skulle störa astronomiska observationer, kyls sensorerna till minus 150 grader Fahrenheit. Men även det kan bara hjälpa så mycket, så sensorerna måste tillverkas mycket noggrant för att minska läsbruset - något som bara en handfull företag i världen kan göra.

Ett annat problem är kamerans fokusplan, som har att göra med hur kameran fokuserar. För att hålla detta plan helt platt, inom några mikrometer, måste sensorerna monteras på en flotte gjord av kiselkarbid och sedan installeras i kameran.

Ett viktigt sätt att kameran på ett teleskop skiljer sig från en vanlig digitalkamera är att använda filter. Istället för att ta bilder i färg tar teleskopkameror faktiskt svartvita bilder vid olika våglängder. Dessa bilder kan sedan kombineras på olika sätt för att plocka ut olika astronomiska särdrag.

För att göra detta är Rubin-kameran utrustad med sex filter, som vart och ett isolerar olika våglängder av det elektromagnetiska spektrumet - från det ultravioletta, genom det synliga ljusspektrumet och in i infraröd. Dessa filter är stora, runda glasbitar som måste flyttas fysiskt framför kameran, så en mekanism är fäst vid kameran för att byta dem in och ut efter behov. Ett hjul roterar runt kamerahuset, vilket för det önskade filtret till toppen, sedan tar en arm filtret och skjuter det på plats mellan linserna.

Äntligen är det slutaren. Detta består av ett tvåbladssystem som glider över linsernas framsida och sedan tillbaka för att ta en bild. "Det är extremt exakt," sa Reil. "Avståndet mellan de rörliga bladen och lins nummer tre är väldigt, väldigt nära." Det kräver noggrann ingenjörskonst för att säkerställa att avståndet är exakt korrekt.

Ser den bredare bilden

All denna precisionsteknik kommer att göra det möjligt för Rubin att vara ett extremt kraftfullt astronomiskt verktyg. Men det är inte kraftfullt på samma sätt som verktyg som rymdteleskopet Hubble eller rymdteleskopet James Webb, som är designade för att titta på mycket avlägsna objekt. Istället kommer Rubin att titta på hela stora bitar av himlen och överblicka hela himlen mycket snabbt.

Den kommer att undersöka hela södra himlen en gång i veckan, upprepa denna uppgift om och om igen och samla in cirka 14 terabyte data varje natt. Genom att ha sådana regelbundet uppdaterade bilder kan astronomer jämföra vad som hände på en given plats på himlen förra veckan med vad som finns den här veckan - och det låter dem fånga händelser som utvecklas snabbt som supernovor, för att se hur de förändras tid.

Så det är inte bara att samla in all data med hjälp av kamerans hårdvara som är en utmaning, utan också att få det bearbetas mycket snabbt så att den kan göras tillgänglig för astronomer i tid så att de kan se nya händelser som de är happening.

Och uppgifterna kommer också att göras allmänt tillgängliga. Du kommer att kunna välja vilket objekt som helst på den södra himlen och dra upp bilder av det objektet, eller bara bläddra igenom undersökningsdata som visar himlen i fantastiska detaljer.

En djup, stor himmelundersökning

Förutom att vara en resurs för astronomer som tittar på hur ett visst objekt förändras över tid, kommer Rubin-observatoriet också att vara viktigt för att identifiera objekt nära jorden. Det här är asteroider eller kometer som kommer nära jorden och potentiellt kan hota vår planet, men som kan vara svåra att upptäcka eftersom de rör sig över himlen så snabbt.

Med sin stora spegel och synfält kommer Rubin-observatoriet att kunna identifiera objekt som kommer särskilt nära jorden och kallas potentiellt farliga objekt. Och eftersom dessa data uppdateras ofta bör den kunna flagga objekt som behöver studeras ytterligare för andra teleskop att observera.

Men observatoriets största bidrag kan vara att studera mörk materia och mörk energi. Observatoriet är faktiskt uppkallat efter den amerikanska astronomen Vera C. Rubin, som upptäckte de första bevisen för mörk materia genom sina observationer av galaxer på 1960- och 1970-talen.

Rubin-observatoriet kommer att kunna undersöka den mystiska substansen i mörk materia genom att titta på universum i mycket stor skala.

"Att verkligen se mörk materia - ja, du kan inte," förklarade Reil. "Men för att verkligen studera mörk materia måste du titta på galaxskalan."

Genom att titta på hur snabbt stjärnorna runt kanten av en galax roterar, kan du räkna ut hur mycket massa det måste finnas mellan dessa stjärnor och det galaktiska centrumet. När vi gör detta räcker inte massan vi kan se för att förklara dessa rotationer - "inte ens nära nog", sa Reil. Så det saknas en mängd massa vi behöver förklara. "Det är den mörka materien", tillägger han.

En liknande princip gäller för hela galaxhopar. Genom att observera banorna för galaxer inom dessa kluster, som Rubin kommer att kunna observera med sitt breda synfält, kommer observationerna att få en ny nivå av statistisk kraft. Och för att studera det relaterade fenomenet mörk energi, en hypotetisk typ av energi som förklarar hastigheten för universums utvidgning kan astronomer jämföra den beräknade massan av stora objekt med deras observerade massa.

"Du får se varje galaxhop som finns, och du kan inte få mer statistik än du får från hela himlen," sa Reil. "Det finns verkliga fördelar med att ha all information tillgänglig om ämnet jämfört med att ha ett litet synfält."

Redaktörens rekommendationer

• Inuti den galna planen att ösa på och ta hem lite av Venus-atmosfären
• James Webb och Keck Observatory ser moln på Saturnus måne Titan
• Här är vad rymdteleskopet James Webb kommer att sikta på härnäst
• Den största kometen som någonsin sett är på väg, men oroa dig inte
• Ett av James Webbs första mål är Jupiter. Här är varför