ภายในเวร่าซี หอดูดาวรูบิน (และกล้องยักษ์)

ปีหน้า โลกแห่งดาราศาสตร์จะยิ่งใหญ่ขึ้นด้วยปฏิบัติการครั้งแรกของยานเวรา ซี หอดูดาวรูบิน หอดูดาวขนาดมหึมาแห่งนี้กำลังอยู่ในระหว่างการก่อสร้างบนยอดเขา Cerro Pachón ซึ่งเป็นภูเขาสูงเกือบ 9,000 ฟุตในชิลี

หอดูดาวจะติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ขนาด 8.4 เมตรที่จะจับภาพแสงจากกาแลคซีอันไกลโพ้นและ ถ่ายทอดสิ่งนี้ไปยังกล้องดิจิทัลที่ใหญ่ที่สุดในโลก สร้างภาพที่ลึกอย่างเหลือเชื่อของทั้งหมด ท้องฟ้าทางใต้

หากคุณเคยสงสัยว่าวิศวกรขยายขนาดเทคโนโลยีกล้องดิจิทัลจากสิ่งเล็กๆ ที่พอจะใส่ในโทรศัพท์ของคุณไปสู่สิ่งที่ใหญ่พอที่จะจับภาพทั้งหมดได้อย่างไร กาแล็กซี เราได้พูดคุยกับนักวิทยาศาสตร์ของ Rubin Observatory Kevin Reil เพื่อหาคำตอบเกี่ยวกับชุดอุปกรณ์ที่ไม่เหมือนใครนี้ และวิธีที่มันสามารถช่วยไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดบางอย่างใน ดาราศาสตร์.

กล้องดิจิตอลที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ในระดับพื้นฐาน กล้อง Rubin ทำงานในลักษณะเดียวกับกล้องดิจิทัลเชิงพาณิชย์เช่นเดียวกับกล้องในโทรศัพท์มือถือของคุณ แม้ว่าเทคโนโลยีของกล้องจะใกล้เคียงกับ ของกล้องโทรศัพท์มือถือเมื่อ 5 ปีที่แล้ว เนื่องจากใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ที่เรียกว่า CCD แทน CMOS เนื่องจากการสร้างกล้องสังเกตการณ์เริ่มต้นเมื่อ 10 ปีที่แล้ว ที่ผ่านมา. ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดคือในแง่ของขนาด: กล้องโทรศัพท์ของคุณอาจมีความละเอียด 10 ล้านพิกเซลแต่กล้อง Rubin มีความละเอียดถึง 3,200 ล้านพิกเซล

เพื่อให้คุณเห็นภาพที่จับต้องได้มากขึ้นว่าภาพ 3,200 เมกะพิกเซลจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร ต้องใช้ 378 4K หน้าจอทีวีเพื่อแสดงภาพหนึ่งภาพในขนาดเต็ม ตาม ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ซึ่งกำลังสร้างกล้อง ความละเอียดดังกล่าวจะช่วยให้คุณเห็นลูกกอล์ฟจากระยะ 15 ไมล์

เพื่อให้ได้ความละเอียดประเภทนี้ ทุกองค์ประกอบของฮาร์ดแวร์กล้องจำเป็นต้องได้รับการออกแบบและผลิตด้วยความแม่นยำสูงสุด ส่วนประกอบหนึ่งของกล้องที่ต้องพิถีพิถันเป็นพิเศษในการผลิตคือเลนส์ มีเลนส์สามชิ้นที่ช่วยแก้ไขความคลาดเคลื่อนของสัญญาณขาเข้า และเลนส์แต่ละชิ้นต้องมีพื้นผิวที่ปราศจากตำหนิอย่างสมบูรณ์แบบ

ซึ่งทำได้ยากยิ่งกว่าความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับกระจกของกล้องโทรทรรศน์ เนื่องจากทั้งสองด้านของเลนส์จำเป็นต้องได้รับการขัดเงาเท่าๆ กัน “ความท้าทายคือตอนนี้ แทนที่จะเป็นพื้นผิวเดียวสำหรับกระจก คุณมีสองพื้นผิวที่ต้องสมบูรณ์แบบ” Reil อธิบาย “ออปติกทั้งหมดสำหรับหอดูดาวแห่งนี้ — เลนส์และกระจก — พวกมันเป็นสิ่งที่ต้องใช้เวลาหลายปีในการสร้าง”

การหาเลนส์ที่สมบูรณ์แบบไม่ใช่ส่วนที่ยากที่สุดของชุดคิทที่จำเป็นสำหรับกล้องโทรทรรศน์ดังกล่าว “มันเป็นเทคโนโลยีที่เป็นที่รู้จัก” Reil กล่าว “มันยาก แต่มีบริษัทที่รู้วิธีผลิตเลนส์เหล่านี้”

ตำแหน่งที่กล้อง Rubin กำลังรุกเข้าไปในพื้นที่ที่ไม่ค่อยมีคนเหยียบย่ำมากนักคือเซ็นเซอร์ของมัน ด้วยความละเอียดที่สูงมากถึง 3,200 เมกะพิกเซล เซ็นเซอร์ 189 ตัวของกล้องจำเป็นต้องจัดเรียงเป็นอาร์เรย์และปรับแต่งจนกว่าจะถึงข้อกำหนดที่แน่นอน เซ็นเซอร์แต่ละตัวมี 16 ช่อง รวมเป็น 3,024 ช่อง

“สำหรับฉันเป็นการส่วนตัว ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือเซ็นเซอร์” Reil กล่าว “การมีช่องอ่านข้อมูล 16 ช่องและเซ็นเซอร์ 189 ตัว และอ่านทั้งหมดพร้อมกัน ดังนั้นการเก็บข้อมูลและการทำให้เซ็นเซอร์เป็นไปตามข้อกำหนดจริงๆ”

ข้อกำหนดสำหรับเซ็นเซอร์เหล่านี้มีไว้สำหรับสิ่งต่างๆ เช่น เสียงรบกวนในการอ่านที่ต่ำมาก ซึ่งเป็นพื้นผิวที่เป็นเม็ดๆ ที่คุณจะเห็นเมื่อคุณถ่ายภาพในที่มืดโดยใช้โทรศัพท์มือถือของคุณ เพื่อลดเสียงรบกวนซึ่งจะขัดขวางการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ เซ็นเซอร์จะถูกทำให้เย็นลงถึง -150 องศาฟาเรนไฮต์ แต่นั่นก็ช่วยได้มากเท่านั้น ดังนั้นเซ็นเซอร์จึงต้องผลิตอย่างระมัดระวังเพื่อลดสัญญาณรบกวนในการอ่าน ซึ่งเป็นสิ่งที่มีเพียงไม่กี่บริษัทในโลกที่สามารถทำได้

อีกปัญหาหนึ่งคือระนาบโฟกัสของกล้อง ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีการโฟกัสของกล้อง เพื่อให้ระนาบนี้แบนราบภายในไม่กี่ไมครอน เซ็นเซอร์จะต้องติดตั้งเข้ากับแพที่ทำจากซิลิกอนคาร์ไบด์ แล้วจึงติดตั้งลงในกล้อง

วิธีหลักที่ทำให้กล้องในกล้องโทรทรรศน์แตกต่างจากกล้องดิจิทัลทั่วไปคือการใช้ฟิลเตอร์ แทนที่จะจับภาพเป็นสี กล้องโทรทรรศน์จะถ่ายภาพขาวดำที่ความยาวคลื่นต่างกัน ภาพเหล่านี้สามารถนำมารวมกันในรูปแบบต่างๆ เพื่อเลือกลักษณะทางดาราศาสตร์ที่แตกต่างกัน

ในการทำเช่นนี้ กล้อง Rubin มาพร้อมกับฟิลเตอร์หกตัว ซึ่งแต่ละฟิลเตอร์จะแยกความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของ สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า — จากอัลตราไวโอเลต ผ่านสเปกตรัมแสงที่มองเห็น และเข้าสู่ อินฟราเรด. ตัวกรองเหล่านี้คือ ชิ้นแก้วกลมขนาดใหญ่ ที่ต้องเคลื่อนไหวร่างกายด้านหน้ากล้อง กลไกจึงติดอยู่กับกล้องเพื่อสลับเข้าและออกได้ตามต้องการ ล้อหมุนรอบตัวกล้อง นำฟิลเตอร์ที่ต้องการไปไว้ด้านบน จากนั้นแขนจะจับฟิลเตอร์แล้วเลื่อนเข้าที่ระหว่างเลนส์

ในที่สุดก็มีชัตเตอร์ ประกอบด้วยระบบใบมีดสองใบที่เลื่อนผ่านหน้าเลนส์แล้วถอยกลับเพื่อจับภาพ “แม่นยำมาก” Reil กล่าว “ระยะห่างระหว่างใบมีดที่กำลังเคลื่อนที่กับเลนส์หมายเลขสามนั้นใกล้กันมาก” ต้องใช้วิศวกรรมอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าระยะห่างนั้นถูกต้อง

มองเห็นภาพที่กว้างขึ้น

วิศวกรรมความแม่นยำทั้งหมดนี้จะช่วยให้ Rubin เป็นเครื่องมือทางดาราศาสตร์ที่ทรงพลังอย่างยิ่ง แต่มันไม่ได้ทรงพลังเท่ากับเครื่องมืออย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลหรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ซึ่งออกแบบมาเพื่อดูวัตถุที่อยู่ไกลมาก รูบินจะมองดูก้อนท้องฟ้าขนาดใหญ่ทั้งหมดแทน สำรวจท้องฟ้าทั้งหมดอย่างรวดเร็ว

มันจะสำรวจท้องฟ้าทางตอนใต้ทั้งหมดสัปดาห์ละครั้ง ทำภารกิจนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีก และรวบรวมข้อมูลประมาณ 14 เทราไบต์ในแต่ละคืน นักดาราศาสตร์สามารถเปรียบเทียบสิ่งที่เกิดขึ้นในบริเวณท้องฟ้าที่กำหนดเมื่อสัปดาห์ที่แล้วได้ด้วยการมีภาพที่อัปเดตเป็นประจำ มีอะไรในสัปดาห์นี้ — และนั่นช่วยให้พวกเขาจับเหตุการณ์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น ซูเปอร์โนวา เพื่อดูว่าพวกเขาเปลี่ยนไปอย่างไร เวลา.

ดังนั้นจึงไม่เพียงแค่การรวบรวมข้อมูลทั้งหมดโดยใช้ฮาร์ดแวร์ของกล้องเท่านั้นที่เป็นสิ่งที่ท้าทาย แต่ยังรวมถึงการได้รับข้อมูลนั้นด้วย ประมวลผลเร็วมากเพื่อให้นักดาราศาสตร์สามารถเห็นเหตุการณ์ใหม่ได้ทันเวลา ที่เกิดขึ้น

และข้อมูลจะถูกเปิดเผยต่อสาธารณะเช่นกัน คุณจะสามารถเลือกวัตถุใดก็ได้ในท้องฟ้าทางตอนใต้และดึงภาพของวัตถุนั้นขึ้นมา หรือเพียงแค่เรียกดูข้อมูลการสำรวจที่แสดงท้องฟ้า ในรายละเอียดที่น่าทึ่ง.

การสำรวจท้องฟ้าขนาดใหญ่และลึก

นอกจากจะเป็นแหล่งข้อมูลสำหรับนักดาราศาสตร์ที่ต้องการดูว่าวัตถุใดเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอย่างไร หอดูดาวรูบินยังมีความสำคัญต่อการระบุวัตถุใกล้โลกอีกด้วย เหล่านี้คือดาวเคราะห์น้อยหรือดาวหางที่เข้ามาใกล้โลกและอาจคุกคามโลกของเรา แต่มองเห็นได้ยากเพราะพวกมันเคลื่อนผ่านท้องฟ้าเร็วมาก

ด้วยกระจกบานใหญ่และขอบเขตการมองเห็น หอดูดาวรูบินจะสามารถระบุวัตถุที่เข้ามาใกล้โลกเป็นพิเศษและถูกเรียกว่าวัตถุที่อาจเป็นอันตรายได้ และเนื่องจากข้อมูลนี้ได้รับการรีเฟรชบ่อยครั้ง จึงน่าจะสามารถระบุวัตถุที่ต้องการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อให้กล้องโทรทรรศน์อื่นๆ สังเกตการณ์ได้

แต่ผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของหอดูดาวอาจเป็นการศึกษาสสารมืดและพลังงานมืด อันที่จริง หอดูดาวนี้ตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เวรา ซี รูบิน ผู้ค้นพบหลักฐานชิ้นแรกของสสารมืดผ่านการสังเกตการณ์ดาราจักรของเธอในช่วงปี 1960 และ 1970

หอดูดาวรูบินจะสามารถสำรวจสสารลึกลับของสสารมืดได้ด้วยการมองจักรวาลในระดับที่ใหญ่มาก

“การจะมองเห็นสสารมืดจริงๆ ก็ทำไม่ได้” Reil อธิบาย “แต่หากต้องการศึกษาสสารมืดจริงๆ คุณต้องดูที่ระดับดาราจักร”

การดูว่าดาวรอบขอบกาแลคซีหมุนรอบตัวเองเร็วแค่ไหน คุณจะสามารถคำนวณได้ว่าต้องมีมวลเท่าใดระหว่างดาวเหล่านั้นกับใจกลางกาแลคซี เมื่อเราทำเช่นนี้ มวลที่เรามองเห็นไม่เพียงพอที่จะอธิบายการหมุนเหล่านั้น — “ยังไม่ใกล้พอด้วยซ้ำ” Reil กล่าว ดังนั้นจึงมีมวลที่ขาดหายไปซึ่งเราต้องอธิบาย “นั่นคือสสารมืด” เขากล่าวเสริม

หลักการที่คล้ายกันใช้กับกระจุกดาราจักรทั้งหมด จากการสังเกตวงโคจรของกาแลคซีภายในกระจุกดาราจักรเหล่านั้น ซึ่งรูบินจะสามารถสังเกตได้ด้วยขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง การสังเกตจะเพิ่มพลังทางสถิติในระดับใหม่ และเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานสมมุติชนิดหนึ่งที่อธิบายอัตรา การขยายตัวของเอกภพ นักดาราศาสตร์สามารถเปรียบเทียบมวลที่คำนวณได้ของวัตถุขนาดใหญ่กับวัตถุที่สังเกตได้ มวล.

“คุณจะได้เห็นกระจุกกาแลคซีทุกแห่งที่มีอยู่ และคุณไม่สามารถได้รับสถิติมากไปกว่าที่คุณได้รับจากท้องฟ้าทั้งหมด” Reil กล่าว “การมีข้อมูลทั้งหมดที่มีในหัวเรื่องนั้นมีประโยชน์จริง ๆ แทนที่จะมีมุมมองเล็ก ๆ”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• ภายในแผนบ้าที่จะตักขึ้นและนำบรรยากาศของดาวศุกร์กลับบ้าน
• James Webb และ Keck Observatory เห็นเมฆบนดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์
• นี่คือสิ่งที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์จะกำหนดเป็นเป้าหมายต่อไป
• ดาวหางขนาดใหญ่ที่สุดที่เคยเห็นกำลังจะมาถึง แต่ไม่ต้องกังวล
• หนึ่งในเป้าหมายแรกของ James Webb คือดาวพฤหัสบดี นี่คือเหตุผล