Na 16 jaar toegewijde planning en engineering, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een sensorarray van 3,2 gigapixel voltooid voor de camera die zal worden gebruikt in de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), een enorme telescoop die het heelal zal observeren als nooit tevoren.

"Dit is de grootste CCD-array (charge-coupled device) die ooit is gebouwd, " zei Paul O'Connor, senior wetenschapper bij de instrumentatiedivisie van Brookhaven Lab. "Het zijn drie miljard pixels. Geen enkele telescoop heeft ooit zoveel sensoren in één camera gestopt."

De digitale sensorarray bestaat uit ongeveer 200 16-megapixelsensoren, verdeeld in 21 modules die "vlotten" worden genoemd. Elk vlot kan op zichzelf functioneren, maar gecombineerd, ze zullen een gebied van de lucht zien dat meer dan 40 volle manen in een enkel beeld kan passen. Onderzoekers zullen deze beelden aan elkaar naaien om een ​​time-lapse-film te maken van het volledige zichtbare universum dat toegankelijk is vanuit Chili.

Momenteel in aanbouw op een bergtop in Chili, LSST is ontworpen om de meest complete beelden van ons universum vast te leggen die ooit zijn gemaakt. Het project om de telescoopfaciliteit en camera te bouwen is een samenwerking tussen meer dan 30 instellingen van over de hele wereld, en het wordt voornamelijk gefinancierd door DOE's Office of Science en de National Science Foundation. DOE's SLAC National Accelerator Laboratory leidt de algehele inspanning om de camera te bouwen - 's werelds grootste camera voor astronomie - terwijl Brookhaven het ontwerp leidde, bouw, en kwalificatie van de digitale sensorarray - de "digitale film" voor de camera.

"Het is het hart van de camera, " zei Bill Wahl, science raft subsystem manager van het LSST-project bij Brookhaven Lab. "Wat we hier in Brookhaven hebben gedaan, staat voor jarenlang geweldig werk van vele getalenteerde wetenschappers, ingenieurs, en technici. Hun werk zal leiden tot een verzameling beelden die nog nooit eerder door iemand is gezien. Het is een spannende tijd voor het project en voor het Lab."

Brookhaven begon zijn LSST-onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma in 2003, met de bouw van de digitale sensorarray vanaf 2014. In de aanloop naar de bouw, Brookhaven ontwierp en fabriceerde de montage- en testapparatuur voor de wetenschappelijke vlotten die zowel in Brookhaven als SLAC worden gebruikt. Het laboratorium creëerde ook een volledig geautomatiseerde productiefaciliteit en cleanroom, samen met productie- en trackingsoftware.

"We hebben ervoor gezorgd dat we zoveel mogelijk van de productiefaciliteit hebben geautomatiseerd, ' zei O'Connor. 'Het testen van een enkel vlot kan wel drie dagen duren. We werkten volgens een strak schema, dus we hadden onze geautomatiseerde faciliteit 24/7 draaiende. Natuurlijk, uit bezorgdheid voor de veiligheid, we hadden altijd iemand die de faciliteit dag en nacht in de gaten hield."

Het construeren van de complexe sensorarray, die in vacuüm werkt en moet worden gekoeld tot -100° Celsius, is een uitdaging op zich. Maar het Brookhaven-team kreeg ook de taak om elk volledig geassembleerd vlot te testen, evenals individuele sensoren en elektronica. Toen elk vlot klaar was, het moest zorgvuldig worden verpakt in een beschermende omgeving om veilig door het hele land naar SLAC te worden verzonden.

Het LSST-team in Brookhaven voltooide het eerste vlot in 2017. Maar kort daarna, ze kregen een nieuwe uitdaging voorgeschoteld.

"Later ontdekten we dat ontwerpkenmerken per ongeluk leidden tot de mogelijkheid dat elektrische draden in de vlotten zouden kunnen worden kortgesloten, O'Connor zei. "De snelheid waarmee dit effect de vlotten beïnvloedde was slechts in de orde van 0,2%, maar om elke mogelijkheid van degradatie te voorkomen, we hebben de moeite genomen om bijna elk vlot opnieuw in te bouwen."

Nutsvoorzieningen, slechts twee jaar na de start van de vlotproductie, het team heeft met succes het laatste vlot gebouwd en naar SLAC verzonden voor integratie in de camera. Dit markeert het einde van een 16-jarig project in Brookhaven, die zal worden gevolgd door vele jaren van astronomische observatie.

Veel van de getalenteerde teamleden die voor het LSST-project in Brookhaven zijn gerekruteerd, waren jonge ingenieurs en technici die direct na hun afstuderen waren ingehuurd. Nutsvoorzieningen, ze zijn allemaal toegewezen aan lopende natuurkundeprojecten in het Lab, zoals het upgraden van de PHENIX-detector bij de Relativistic Heavy Ion Collider - een DOE Office of Science User Facility voor kernfysisch onderzoek - naar sPHENIX, evenals lopende werkzaamheden met de ATLAS-detector bij CERN's Large Hadron Collider. Brookhaven is het Amerikaanse gastlaboratorium voor de ATLAS-samenwerking

"De rol van Brookhaven in het LSST-cameraproject bood nieuwe en opwindende kansen voor ingenieurs, technici, en wetenschappers in elektro-optica, waar aan zeer veeleisende specificaties moet worden voldaan, " zei Wahl. "Het multidisciplinaire team dat we hebben samengesteld, heeft uitstekend werk geleverd bij het behalen van de ontwerpdoelstellingen en ik ben trots op onze tijd samen. Het was buitengewoon de moeite waard om junior ingenieurs en wetenschappers te zien uitgroeien tot zeer capabele teamleden."

Brookhaven Lab zal in de toekomst een sterke rol blijven spelen in LSST. Terwijl de telescoop zijn inbedrijfstellingsfase ondergaat, Brookhaven-wetenschappers zullen dienen als experts op het gebied van de digitale sensorarray in de camera. Ze zullen ook ondersteuning bieden tijdens de activiteiten van LSST, die naar verwachting in 2022 zullen beginnen.

"De inbedrijfstelling van zo'n complexe camera zal een spannende en uitdagende onderneming zijn, " zei Brookhaven-natuurkundige Andrei Nomerotski, die de bijdragen van Brookhaven aan de inbedrijfstellings- en exploitatiefasen van het LSST-project leidt. "Na jarenlang kunstmatige signaalbronnen te hebben gebruikt voor de sensorkarakterisering, we kijken ernaar uit om echte sterren en sterrenstelsels te zien in de LSST CCD's."

Eenmaal operationeel in het Andesgebergte, LSST zal bijna elke subset van de astrofysica-gemeenschap bedienen. Misschien wel het belangrijkste, Met LSST kunnen wetenschappers donkere energie en donkere materie onderzoeken - twee puzzels die natuurkundigen al tientallen jaren verbijsteren. Er wordt ook geschat dat LSST miljoenen asteroïden in ons zonnestelsel zal vinden, naast het aanbieden van nieuwe informatie over het ontstaan ​​van onze melkweg. De beelden die door LSST zijn vastgelegd, worden onmiddellijk beschikbaar gesteld aan natuurkundigen en astronomen in de VS en Chili, waardoor LSST een van de meest geavanceerde en toegankelijke kosmologische experimenten is die ooit zijn gemaakt. Overuren, de gegevens zullen wereldwijd beschikbaar worden gesteld aan het publiek.