Всередині Vera C. Обсерваторія Рубін (і її гігантська камера)

Наступного року світ астрономії стане ще більшим завдяки першим операціям Vera C. Рубінська обсерваторія. Ця гігантська обсерваторія зараз будується на вершині Серро-Пачон, гори заввишки майже 9000 футів у Чилі.

В обсерваторії буде розміщено 8,4-метровий телескоп, який буде вловлювати світло від далеких галактик і передайте це в найбільшу в світі цифрову камеру, створюючи неймовірно глибокі зображення всього південне небо.

Якщо ви коли-небудь замислювалися про те, як інженери розширюють технологію цифрової камери від достатньо маленького, щоб поміститися у вашому телефоні, до достатньо великого, щоб захопити весь галактик, ми поговорили з науковцем обсерваторії Рубіна Кевіном Рейлом, щоб дізнатися про цей унікальний набір і про те, як він може допомогти розкрити деякі з найбільших таємниць у астрономія.

Найбільша в світі цифрова камера

На базовому рівні камера Rubin працює так само, як комерційна цифрова камера, як у вашому мобільному телефоні, хоча її технологія насправді ближча до камери мобільних телефонів п’ятирічної давнини, оскільки вона використовує сенсорну технологію під назвою CCD замість CMOS, тому що створення камери обсерваторії почалося 10 років тому тому. Найбільша різниця полягає в масштабі: камера вашого телефону може мати роздільну здатність 10 мегапікселів, але камера Rubin має приголомшливі 3200 мегапікселів.

Щоб дати вам більш відчутне уявлення про те, як виглядатиме 3200 мегапікселів, знадобиться 378 4K екрани телевізорів для відображення одного зображення в повний розмір, відповідно до Національна прискорювальна лабораторія SLAC, яка створює камеру. Така роздільна здатність дозволить вам побачити м’яч для гольфу з відстані 15 миль.

Щоб досягти такої роздільної здатності, кожен елемент апаратного забезпечення камери має бути розроблено та виготовлено з надзвичайною точністю. Одним із компонентів камери, який потребує особливо ретельного виготовлення, є об’єктиви. Є три лінзи, які допомагають виправити будь-які аберації вхідних сигналів, і кожна з них повинна мати бездоганну поверхню.

Цього навіть важче досягти, ніж точності, необхідної для дзеркал телескопа, оскільки обидві сторони лінзи мають бути однаково відполіровані. «Завдання полягає в тому, що тепер замість однієї поверхні дзеркала у вас є дві поверхні, які мають бути ідеальними», — пояснив Рейл. «Вся оптика для цієї обсерваторії — лінзи та дзеркала — це те, що створюють роки».

Отримання ідеальних лінз навіть не є найскладнішою частиною комплекту, необхідного для такого телескопа. «Це відома технологія, — сказав Рейл. «Це важко, але є компанії, які знають, як робити ці лінзи».

Те, де камера Rubin штовхає набагато рідше протоптану землю, — це її датчики. З такою надзвичайно високою роздільною здатністю в 3200 мегапікселів 189 датчиків камери потрібно об’єднати в масив і налаштувати, поки вони не досягнуть точних характеристик. Кожен із цих датчиків має 16 каналів, тож загалом це 3024 канали.

«Особисто для мене найбільшою проблемою були датчики», — сказав Рейл. «Мати 16 каналів зчитування та 189 датчиків, і зчитувати їх усі одночасно. Отже, збір даних і справді забезпечення відповідності датчиків вимогам».

Ці вимоги до датчиків стосуються таких речей, як дуже низький рівень шуму читання — це зерниста текстура, яку ви побачите, коли робите фотографію в темряві за допомогою мобільного телефону. Щоб мінімізувати цей шум, який може заважати астрономічним спостереженням, датчики охолоджуються до мінус 150 градусів за Фаренгейтом. Але навіть це може дуже допомогти, тому датчики потрібно виготовляти дуже ретельно, щоб зменшити шум читання — те, що можуть зробити лише кілька компаній у світі.

Інша проблема пов’язана з фокальною площиною камери, яка пов’язана з тим, як камера фокусується. Щоб ця площина залишалася абсолютно плоскою, в межах кількох мікрон, датчики потрібно встановити на плиту з карбіду кремнію, а потім встановити в камеру.

Основна відмінність камери на телескопі від звичайної цифрової камери полягає у використанні фільтрів. Замість того, щоб знімати кольорові зображення, камери телескопів фактично роблять чорно-білі зображення на різних довжинах хвиль. Потім ці зображення можна комбінувати різними способами, щоб виділити різні астрономічні об’єкти.

Для цього камера Rubin оснащена шістьма фільтрами, кожен з яких виділяє різні довжини хвиль електромагнітний спектр — від ультрафіолетового, через спектр видимого світла і до інфрачервоний. Ці фільтри є великі круглі шматки скла які потрібно фізично переміщувати перед камерою, тому до камери приєднано механізм, який за потреби їх змінює. Колесо обертається навколо корпусу камери, підносячи потрібний фільтр до верху, потім рука бере фільтр і вставляє його на місце між об’єктивами.

Нарешті, є затвор. Це система з двома лезами, яка ковзає по лицьовій стороні лінз, а потім назад, щоб захопити зображення. «Це надзвичайно точно», — сказав Рейл. «Відстань між цими рухомими лезами та лінзою номер три дуже, дуже близька». Це вимагає ретельного проектування, щоб переконатися, що відстань є точною.

Бачити ширшу картину

Уся ця точна інженерія дозволить Rubin стати надзвичайно потужним астрономічним інструментом. Але він не такий потужний, як такі інструменти, як космічний телескоп Хаббл або космічний телескоп Джеймса Вебба, які призначені для спостереження за дуже далекими об’єктами. Замість цього Рубін розглядатиме цілі величезні шматки неба, оглядаючи все небо дуже швидко.

Він буде досліджувати все південне небо раз на тиждень, повторюючи це завдання знову і знову та збираючи близько 14 терабайт даних щоночі. Маючи такі регулярно оновлювані зображення, астрономи можуть порівняти те, що сталося на певній ділянці неба минулого тижня що там цього тижня — і це дозволяє їм ловити події, що швидко розвиваються, як-от наднові, щоб побачити, як вони змінюються час.

Тож складно не лише зібрати всі ці дані за допомогою обладнання камери, а й отримати їх обробляється дуже швидко, тому його можна вчасно надати астрономам, щоб вони могли побачити нові події такими, якими вони є відбувається.

І дані також будуть оприлюднені. Ви зможете вибрати будь-який об’єкт на південному небі та отримати зображення цього об’єкта або просто переглянути дані опитування, що показують небо у приголомшливих деталях.

Глибокий, великий огляд неба

Крім ресурсу для астрономів, які вивчають, як певний об’єкт змінюється з часом, обсерваторія Рубіна також буде важливою для ідентифікації навколоземних об’єктів. Це астероїди або комети, які наближаються до Землі та потенційно можуть загрожувати нашій планеті, але їх важко помітити, оскільки вони рухаються небом дуже швидко.

Завдяки великому дзеркалу та полю зору обсерваторія «Рубін» зможе ідентифікувати об’єкти, які підходять особливо близько до Землі та називаються потенційно небезпечними об’єктами. І оскільки ці дані часто оновлюються, вони повинні мати можливість позначати об’єкти, які потребують подальшого вивчення для спостереження іншими телескопами.

Але найбільший внесок обсерваторії може бути у вивчення темної матерії та темної енергії. Насправді обсерваторія названа на честь американського астронома Віри С. Рубін, яка виявила перші докази існування темної матерії завдяки спостереженням за галактиками в 1960-х і 1970-х роках.

Обсерваторія Рубіна зможе досліджувати таємничу речовину темної матерії, дивлячись на Всесвіт у дуже великому масштабі.

«Дійсно побачити темну матерію — ну, ви не можете», — пояснив Рейл. «Але щоб по-справжньому вивчити темну матерію, ви повинні подивитися на масштаб галактики».

Дивлячись на те, як швидко обертаються зірки навколо краю галактики, ви можете визначити, яка маса повинна бути між цими зірками та центром галактики. Коли ми робимо це, маси, яку ми бачимо, недостатньо, щоб пояснити ці обертання — «навіть недостатньо», — сказав Рейл. Отже, бракує маси, яку нам потрібно пояснити. «Це темна матерія», — додає він.

Подібний принцип застосовний до цілих скупчень галактик. Завдяки спостереженню за орбітами галактик у цих скупченнях, які Rubin зможе спостерігати за допомогою широкого поля зору, спостереження отримають новий рівень статистичної потужності. І для вивчення пов’язаного явища темної енергії, гіпотетичного типу енергії, який пояснює швидкість Розширення Всесвіту астрономи можуть порівнювати обчислену масу великих об’єктів із спостережуваною маса.

«Ви бачите кожне скупчення галактик, і ви не можете отримати більше статистики, ніж ви отримуєте з усього неба», — сказав Рейл. «Є реальні переваги наявності всіх даних про об’єкт у порівнянні з малим полем зору».

Рекомендації редакції

• Всередині божевільного плану зачерпнути та перенести додому трохи атмосфери Венери
• Джеймс Вебб і обсерваторія Кека бачать хмари на супутнику Сатурна Титані
• Ось на що космічний телескоп Джеймса Вебба прицілиться далі
• Найбільша комета, яку коли-небудь бачили, наближається до нас, але не хвилюйтеся
• Однією з перших цілей Джеймса Вебба є Юпітер. Ось чому