Внутри обсерватории Веры К. Рубин, где находится самая большая в мире цифровая камера

В следующем году мир астрономии станет еще больше с первыми операциями обсерватории Веры С. Рубин. Эта гигантская обсерватория в настоящее время строится на вершине Серро-Пачон, горы высотой почти 9000 футов в Чили.

В обсерватории будет установлен 8,4-метровый телескоп, который будет улавливать свет от далеких галактик и направлять его на самую большую в мире цифровую камеру, создавая невероятно глубокие изображения всего южного неба.

Если вы когда-нибудь задавались вопросом, как инженеры масштабируют технологию цифровых камер от чего-то достаточно маленького, чтобы поместиться в вашем телефоне, до чего-то достаточно большого, чтобы захватить целые галактики, мы поговорили с ученым из обсерватории Рубина Кевином Рейлом, чтобы узнать об этом уникальном элементе комплекта и о том, как это могло бы помочь разгадать некоторые из самых больших загадок в астрономии.

Самая большая в мире цифровая камера

На базовом уровне камера Rubin работает так же, как коммерческая цифровая камера, подобная той, что используется в вашем мобильном телефоне, хотя ее технология на самом деле ближе к той, что использовалась в камерах мобильных телефонов пятилетней давности, поскольку в ней используется сенсорная технология, называемая ПЗС. вместо CMOS, потому что создание камеры обсерватории началось 10 лет назад. Самая большая разница заключается в масштабе: камера вашего телефона может иметь разрешение 10 мегапикселей , но камера Рубина имеет умопомрачительные 3200 мегапикселей.

Чтобы дать вам более реальное представление о том, как будут выглядеть 3200 мегапикселей, потребуется 378 4K-экранов для отображения одного изображения в полном размере, по данным Национальной ускорительной лаборатории SLAC, которая создает камеру. Такое разрешение позволит вам увидеть мяч для гольфа на расстоянии 15 миль.

Для достижения такого разрешения каждый элемент оборудования камеры должен быть спроектирован и изготовлен с предельной точностью. Одним из компонентов камеры, требующим особенно тщательного изготовления, являются объективы. Есть три линзы, помогающие исправить любые аберрации входящих сигналов, и каждая из них должна иметь идеально ровную поверхность.

Этого добиться еще труднее, чем точности, необходимой для зеркал телескопа, поскольку обе стороны линзы должны быть одинаково отполированы. «Трудность в том, что теперь вместо одной поверхности зеркала у вас есть две поверхности, которые должны быть идеальными», — объяснил Рейл. «Вся оптика для этой обсерватории — линзы и зеркала — из тех вещей, на создание которых уходят годы».

Получение идеальных линз — это даже не самая сложная часть комплекта, необходимого для такого телескопа. — Это известная технология, — сказал Рейл. «Это сложно, но есть компании, которые знают, как делать эти линзы».

Где камера Рубина проталкивается в гораздо более редко протоптанную землю, так это в своих датчиках. При таком невероятно высоком разрешении в 3200 мегапикселей 189 сенсоров камеры необходимо объединить в массив и настроить, пока они не будут соответствовать точным спецификациям. Каждый из этих датчиков имеет 16 каналов, всего 3024 канала.

«Лично для меня самой большой проблемой были датчики», — сказал Рейл. «Иметь 16 каналов считывания и 189 датчиков и считывать их все одновременно. Таким образом, сбор данных и реальное обеспечение соответствия датчиков требованиям».

Эти требования к датчикам относятся к таким вещам, как очень низкий уровень шума при чтении — это зернистая текстура, которую вы увидите, когда делаете снимок в темноте на свой мобильный телефон. Чтобы свести к минимуму этот шум, который может помешать астрономическим наблюдениям, датчики охлаждают до минус 150 градусов по Фаренгейту. Но даже это мало чем может помочь, поэтому датчики должны быть изготовлены очень тщательно, чтобы уменьшить шум считывания — на это способны лишь несколько компаний в мире.

Другая проблема связана с фокальной плоскостью камеры, которая связана с тем, как камера фокусируется. Чтобы эта плоскость оставалась абсолютно плоской с точностью до нескольких микрон, датчики необходимо прикрепить к основанию из карбида кремния, а затем установить в камеру.

Ключевым отличием камеры телескопа от обычной цифровой камеры является использование фильтров. Вместо того, чтобы захватывать изображения в цвете, камеры телескопов фактически делают черно-белые изображения на разных длинах волн. Затем эти изображения можно по-разному комбинировать, чтобы выделить различные астрономические особенности.

Для этого камера «Рубин» оснащена шестью фильтрами, каждый из которых изолирует разные длины волн электромагнитного спектра — от ультрафиолета, через видимый спектр света и до инфракрасного. Эти фильтры представляют собой большие круглые куски стекла , которые необходимо физически перемещать перед камерой, поэтому к камере прикреплен механизм, позволяющий менять их местами по мере необходимости. Колесо вращается вокруг корпуса камеры, поднимая нужный фильтр вверх, затем рука берет фильтр и вставляет его на место между объективами.

Наконец, есть затвор. Он состоит из системы с двумя лезвиями, которая скользит по лицевой стороне линз, а затем возвращается назад для захвата изображения. — Это очень точно, — сказал Рейл. «Расстояние между этими движущимися лезвиями и линзой номер три очень и очень близко». Это требует тщательной инженерии, чтобы убедиться, что расстояние точно правильное.

Увидеть более широкую картину

Вся эта точная инженерия позволит Рубину стать чрезвычайно мощным астрономическим инструментом. Но он не такой мощный, как такие инструменты, как космический телескоп Хаббла или космический телескоп Джеймса Уэбба, которые предназначены для наблюдения за очень удаленными объектами. Вместо этого Рубин будет смотреть на целые огромные куски неба, очень быстро осматривая все небо.

Он будет обследовать все южное небо один раз в неделю, повторяя эту задачу снова и снова и собирая около 14 терабайт данных каждую ночь. Имея такие регулярно обновляемые изображения, астрономы могут сравнивать то, что произошло на данном участке неба на прошлой неделе, с тем, что произошло на этой неделе, и это позволяет им улавливать быстроразвивающиеся события, такие как сверхновые звезды, чтобы увидеть, как они меняются со временем.

Таким образом, задача заключается не только в том, чтобы собрать все эти данные с помощью оборудования камеры, но и в том, чтобы очень быстро их обработать, чтобы они могли быть доступны астрономам вовремя, чтобы они могли видеть новые события по мере их возникновения.

И данные тоже будут в открытом доступе. Вы сможете выбрать любой объект в южной части неба и просмотреть изображения этого объекта или просто просмотреть данные съемки, показывающие небо в ошеломляющих деталях .

Глубокий, большой обзор неба

Помимо того, что обсерватория Рубина является ресурсом для астрономов, изучающих, как конкретный объект меняется с течением времени, она также будет важна для идентификации околоземных объектов. Это астероиды или кометы, которые приближаются к Земле и потенциально могут угрожать нашей планете, но их бывает трудно обнаружить, потому что они движутся по небу очень быстро.

Благодаря большому зеркалу и полю зрения обсерватория Рубина сможет идентифицировать объекты, которые подходят особенно близко к Земле и называются потенциально опасными объектами. И поскольку эти данные часто обновляются, они должны иметь возможность помечать объекты, которые требуют дальнейшего изучения для наблюдения другими телескопами.

Но самый большой вклад обсерватории может быть в изучение темной материи и темной энергии. На самом деле, обсерватория названа в честь американского астронома Веры С. Рубин, которая обнаружила первые свидетельства наличия темной материи благодаря своим наблюдениям за галактиками в 1960-х и 1970-х годах.

Обсерватория Рубина сможет исследовать таинственную субстанцию ​​темной материи, глядя на Вселенную в очень большом масштабе.

«По-настоящему увидеть темную материю — ну, вы не можете», — объяснил Рейл. «Но чтобы по-настоящему изучить темную материю, нужно смотреть в масштабе галактики».

Глядя на то, как быстро вращаются звезды на краю галактики, вы можете вычислить, какая масса должна быть между этими звездами и галактическим центром. Когда мы делаем это, массы, которую мы видим, недостаточно, чтобы объяснить эти вращения — «даже близко недостаточно», — сказал Рейл. Итак, нам нужно объяснить недостающее количество массы. «Это темная материя», — добавляет он.

Аналогичный принцип применим и к целым скоплениям галактик. Наблюдая за орбитами галактик внутри тех скоплений, которые Рубин сможет наблюдать с его широким полем зрения, наблюдения приобретут новый уровень статистической мощности. А для изучения связанного с этим феномена темной энергии, гипотетического типа энергии, объясняющего скорость расширения Вселенной, астрономы могут сравнить расчетную массу крупных объектов с их наблюдаемой массой.

«Вы можете увидеть каждое существующее скопление галактик, и вы не сможете получить больше статистических данных, чем вы получите со всего неба», — сказал Рейл. «Есть реальные преимущества в том, чтобы иметь все данные, доступные по этому вопросу, по сравнению с небольшим полем зрения».