Bemanningen van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben de eerste 3, Digitale foto's van 200 megapixels - de grootste die ooit in één opname zijn gemaakt - met een buitengewone reeks beeldsensoren die het hart en de ziel zullen worden van de toekomstige camera van Vera C. Rubin Observatory.

De afbeeldingen zijn zo groot dat er 378 4K ultra-high-definition tv-schermen nodig zijn om een ​​ervan op ware grootte weer te geven, en hun resolutie is zo hoog dat je een golfbal van ongeveer 15 mijl afstand kunt zien. Deze en andere eigenschappen zullen binnenkort ongekend astrofysisch onderzoek stimuleren.

Volgende, de sensorarray wordt geïntegreerd in 's werelds grootste digitale camera, momenteel in aanbouw bij SLAC. Eenmaal geïnstalleerd in het Rubin Observatorium in Chili, de camera zal panoramische beelden produceren van de volledige zuidelijke hemel - een panorama om de paar nachten gedurende 10 jaar. De gegevens ervan zullen worden gebruikt voor de Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) - een catalogus van meer sterrenstelsels dan er levende mensen op aarde zijn en van de bewegingen van talloze astrofysische objecten. Met behulp van de LSST-camera, het observatorium zal de grootste astronomische film aller tijden maken en licht werpen op enkele van de grootste mysteries van het universum, inclusief donkere materie en donkere energie.

De eerste foto's gemaakt met de sensoren waren een test voor het brandvlak van de camera, waarvan de montage in januari bij SLAC werd voltooid.

"Dit is een enorme mijlpaal voor ons, " zei Vincent Riot, LSST Camera-projectmanager van het Lawrence Livermore National Laboratory van DOE. "Het brandvlak zal de beelden voor de LSST produceren, dus het is het capabele en gevoelige oog van het Rubin Observatorium."

Steven Kahn van SLAC, directeur van het observatorium, zei, "Deze prestatie is een van de belangrijkste van het hele Rubin Observatory Project. De voltooiing van het LSST Camera-focal plane en de succesvolle tests is een enorme overwinning van het camerateam, waardoor Rubin Observatory de volgende generatie astronomische wetenschap kan leveren."

Een technologisch wonder voor de beste wetenschap

Op een manier, het brandpuntsvlak is vergelijkbaar met de beeldsensor van een digitale consumentencamera of de camera in een mobiele telefoon:het vangt licht op dat wordt uitgezonden door of gereflecteerd door een object en zet dit om in elektrische signalen die worden gebruikt om een ​​digitaal beeld te produceren. Maar het brandvlak van de LSST-camera is veel geavanceerder. In feite, het bevat 189 individuele sensoren, of ladinggekoppelde apparaten (CCD's), die elk 16 megapixels op tafel brengen - ongeveer hetzelfde aantal als de beeldsensoren van de meeste moderne digitale camera's.

Sets van negen CCD's en hun ondersteunende elektronica werden geassembleerd tot vierkante eenheden, genaamd "wetenschapsvlotten, " bij DOE's Brookhaven National Laboratory en verscheept naar SLAC. Daar, het camerateam heeft er 21 ingestoken, plus vier extra speciale vlotten die niet worden gebruikt voor beeldvorming, in een raster dat ze op hun plaats houdt.

Het brandvlak heeft een aantal werkelijk buitengewone eigenschappen. Het bevat niet alleen maar liefst 3,2 miljard pixels, maar de pixels zijn ook erg klein - ongeveer 10 micron breed - en het brandpuntsvlak zelf is extreem plat, met niet meer dan een tiende van de breedte van een mensenhaar. Hierdoor kan de camera scherpe beelden produceren in een zeer hoge resolutie. Op meer dan 2 voet breed, het brandvlak is enorm in vergelijking met de 1,4-inch brede beeldsensor van een full-frame consumentencamera en groot genoeg om een ​​deel van de lucht vast te leggen ter grootte van 40 volle manen. Eindelijk, de hele telescoop is zo ontworpen dat de beeldsensoren objecten kunnen zien die 100 miljoen keer zwakker zijn dan objecten die met het blote oog zichtbaar zijn - een gevoeligheid waarmee je een kaars op duizenden kilometers afstand zou kunnen zien.

"Deze specificaties zijn gewoon verbazingwekkend, " zei Steven Ritz, projectwetenschapper voor de LSST Camera aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. "Deze unieke kenmerken zullen het ambitieuze wetenschappelijke programma van het Rubin Observatory mogelijk maken."

Meer dan 10 jaar, de camera zal beelden verzamelen van ongeveer 20 miljard sterrenstelsels. "Deze gegevens zullen onze kennis verbeteren over hoe sterrenstelsels zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld en zullen ons in staat stellen onze modellen van donkere materie en donkere energie dieper en nauwkeuriger dan ooit te testen, "Zei Ritz. "Het observatorium zal een prachtige faciliteit zijn voor een breed scala aan wetenschap - van gedetailleerde studies van ons zonnestelsel tot studies van verre objecten aan de rand van het zichtbare universum."

Een montageproces met hoge inzet

De voltooiing van het brandpuntsvliegtuig eerder dit jaar betekende het einde van zes zenuwslopende maanden voor de SLAC-bemanning die de 25 vlotten in hun smalle sleuven in het raster plaatste. Om het beeldgebied te maximaliseren, de openingen tussen sensoren op naburige vlotten zijn minder dan vijf mensenharen breed. Omdat de beeldsensoren gemakkelijk barsten als ze elkaar raken, dit maakte de hele operatie erg lastig.

De vlotten zijn ook duur - tot $ 3 miljoen per stuk.

SLAC werktuigbouwkundig ingenieur Hannah Pollek, die aan de frontlinie van sensorintegratie werkte, zei, "De combinatie van hoge inzetten en krappe toleranties maakte dit project zeer uitdagend. Maar met een veelzijdig team hebben we het aardig voor elkaar gekregen."

De teamleden waren een jaar bezig met de voorbereiding van de installatie van het vlot door talloze "oefen"-vlotten te installeren die niet in het uiteindelijke focusvlak kwamen. Dat stelde hen in staat om de procedure te perfectioneren om elk van de 60 cm hoge, 20-pond vlotten in het raster met behulp van een gespecialiseerde portaal ontwikkeld door SLAC's Travis Lange, leidende werktuigbouwkundige bij de installatie van het vlot.

Tim Bond, hoofd van het LSST Camera Integration and Test team bij SLAC, zei, "De enorme omvang van de afzonderlijke cameracomponenten is indrukwekkend, en dat geldt ook voor de grootte van de teams die eraan werken. Er was een goed gechoreografeerd team voor nodig om de montage van het brandvlak te voltooien, en absoluut iedereen die eraan werkte, ging de uitdaging aan."

De eerste 3 nemen, 200 megapixel afbeeldingen

Het brandvlak is in een cryostaat geplaatst, waar de sensoren worden afgekoeld tot min 150 graden Fahrenheit, hun vereiste bedrijfstemperatuur. Na enkele maanden zonder toegang tot het lab vanwege de pandemie van het coronavirus, het camerateam hervatte in mei haar werkzaamheden met beperkte capaciteit en met inachtneming van strikte social distancing-eisen. Er worden nu uitgebreide tests uitgevoerd om er zeker van te zijn dat het brandvlak voldoet aan de technische vereisten die nodig zijn om het wetenschappelijke programma van Rubin Observatory te ondersteunen.

De eerste 3 nemen, 200 megapixel afbeeldingen van verschillende objecten, waaronder een Romanesco die werd gekozen vanwege zijn zeer gedetailleerde oppervlaktestructuur, was een van deze testen. Om dit te doen zonder een volledig gemonteerde camera, het SLAC-team gebruikte een gaatje van 150 micron om beelden op het brandvlak te projecteren. Deze foto's, die online in volledige resolutie kan worden bekeken (links onderaan de release), laten de buitengewone details zien die worden vastgelegd door de beeldsensoren.

"Het maken van deze foto's is een grote prestatie, " zei Aaron Roodman van SLAC, de wetenschapper die verantwoordelijk is voor de montage en het testen van de LSST-camera. "Met de strakke specificaties hebben we echt de grenzen verlegd van wat mogelijk is om te profiteren van elke vierkante millimeter van het brandpuntsvlak en de wetenschap te maximaliseren die we ermee kunnen doen."

Camerateam op de thuisbaan

Er wacht nog meer uitdagend werk terwijl het team de cameramontage voltooit.

In de komende maanden, ze zullen de cryostaat met het brandvlak in de camerabody plaatsen en de lenzen van de camera toevoegen, inclusief 's werelds grootste optische lens, een sluiter en een filteruitwisselingssysteem voor studies van de nachtelijke hemel in verschillende kleuren. Medio 2021, de camera van SUV-formaat is klaar voor de laatste tests voordat hij aan zijn reis naar Chili begint.

"De voltooiing van de camera naderen is erg spannend, en we zijn er trots op zo'n centrale rol te spelen bij het bouwen van dit belangrijke onderdeel van Rubin Observatory, " zei Joanne Hewett, SLAC's chief research officer en associate lab director voor fundamentele fysica. "Het is een mijlpaal die ons een grote stap dichter bij het onderzoeken van fundamentele vragen over het universum brengt op manieren die we voorheen niet konden."