Na twintig jaar werk vieren wetenschappers en ingenieurs van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en hun medewerkers de voltooiing van de Legacy Survey of Space and Time (LSST) Camera.

Als hart van het Vera C. Rubin Observatorium zal de 3.200 megapixel camera onderzoekers helpen ons universum in ongekend detail te observeren. De komende tien jaar zal het een enorme hoeveelheid gegevens over de zuidelijke nachtelijke hemel genereren die onderzoekers zullen gebruiken voor nieuwe inzichten in het universum.

Die gegevens zullen helpen bij de zoektocht naar inzicht in donkere energie, die de versnellende uitdijing van het universum aanstuurt, en in de jacht op donkere materie, de mysterieuze substantie die ongeveer 85% van de materie in het universum uitmaakt. Onderzoekers hebben ook plannen om Rubin-gegevens te gebruiken om de veranderende nachtelijke hemel, het Melkwegstelsel en ons eigen zonnestelsel beter te begrijpen.

"Met de voltooiing van de unieke LSST-camera bij SLAC en de aanstaande integratie ervan met de rest van de Rubin Observatory-systemen in Chili, zullen we binnenkort beginnen met het produceren van de beste film aller tijden en de meest informatieve kaart van de nachtelijke hemel die ooit is samengesteld", aldus Directeur van Rubin Observatory Construction en professor Željko Ivezić van de Universiteit van Washington.

Om dat doel te bereiken bouwden het SLAC-team en zijn partners de grootste digitale camera ooit gebouwd voor de astronomie. De camera heeft ongeveer het formaat van een kleine auto en weegt ongeveer 3.000 kilogram (3 ton), en de frontlens is meer dan 1,5 meter breed:de grootste lens die ooit voor dit doel is gemaakt.

Een andere 90 cm brede lens moest speciaal worden ontworpen om de vorm en optische helderheid te behouden en tegelijkertijd de vacuümkamer af te dichten waarin zich het enorme brandpuntsvlak van de camera bevindt. Dat brandpuntsvlak bestaat uit 201 individueel op maat ontworpen CCD-sensoren en is zo vlak dat het niet meer dan een tiende van de breedte van een mensenhaar varieert. De pixels zelf zijn slechts 10 micron breed.

Toch is het belangrijkste kenmerk van de camera de resolutie, die zo hoog is dat er honderden ultra-high-definition tv's nodig zijn om slechts één van de beelden op volledige grootte weer te geven, aldus SLAC-professor en adjunct-directeur van het Rubin Observatory en cameraprogrammaleider Aaron. Roodman.

“De beelden zijn zo gedetailleerd dat ze een golfbal van zo’n 24 kilometer afstand kunnen lokaliseren, terwijl ze een strook van de hemel bedekken die zeven keer groter is dan de volle maan. Deze beelden met miljarden sterren en sterrenstelsels zullen helpen de geheimen van het universum te ontrafelen. ."

Op zoek naar donkere materie en donkere energie

Nu de LSST-camera compleet is en grondig is getest bij SLAC, zal hij worden ingepakt en verscheept naar Chili en naar de 2400 meter hoge Cerro Pachón in de Andes worden gereden, waar hij later dit jaar bovenop de Simonyi Survey Telescope zal worden gehesen. jaar.

Als de camera eenmaal in gebruik is, is het belangrijkste doel van de camera het in kaart brengen van de posities en het meten van de helderheid van een groot aantal objecten aan de nachtelijke hemel. Uit die catalogus kunnen onderzoekers een schat aan informatie afleiden.

Misschien wel het meest opvallend is dat de LSST-camera zal zoeken naar tekenen van zwakke zwaartekrachtlenzen, waarbij massieve sterrenstelsels op subtiele wijze de paden buigen die het licht van achtergrondstelsels volgt om ons te bereiken. Zwakke lensing onthult iets over de verdeling van massa in het universum en hoe die in de loop van de tijd is veranderd, waardoor kosmologen kunnen begrijpen hoe donkere energie de uitdijing van het universum aandrijft.

Het observatorium is het eerste dat is gebouwd voor het bestuderen van zwakke lenzen op deze schaal, en het project heeft wetenschappers en ingenieurs ertoe aangezet een aantal nieuwe technologieën te ontwikkelen, waaronder nieuwe soorten CCD-sensoren en enkele van de grootste lenzen ooit gemaakt – en ervoor te zorgen dat al deze componenten werkten goed samen, zegt Martin Nordby, een senior stafingenieur bij SLAC en de LSST-cameraprojectmanager.

Wetenschappers willen ook patronen bestuderen in de verdeling van sterrenstelsels en hoe deze in de loop van de tijd zijn veranderd, door clusters van donkere materie te identificeren en supernova's te spotten, wat allemaal kan bijdragen aan een beter begrip van zowel donkere materie als donkere energie.

Risa Wechsler, een kosmoloog die leiding geeft aan het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology aan SLAC en Stanford University, zei dat het een buitengewoon moment was. "Er zijn zoveel wetenschappers hier bij SLAC en over de hele wereld die iets waardevols zullen vinden in de gegevens die deze camera zal produceren", zei Wechsler. "Dit is een opwindende tijd om kosmologie te studeren."

Wat doe je nog meer met zo'n grote camera?

Dezelfde beelden die details van verre sterrenstelsels onthullen, zullen onderzoekers helpen iets dichter bij huis te bestuderen:ons eigen Melkwegstelsel. Veel van de sterren zijn klein en zwak, maar met de gevoeligheid van de LSST-camera verwachten onderzoekers een veel gedetailleerdere kaart van ons sterrenstelsel te kunnen maken, die inzicht zal opleveren in de structuur en evolutie ervan, evenals in de aard van sterren en andere objecten daarin.

Nog dichter bij huis hopen onderzoekers een veel grondiger telling van de vele kleine objecten in ons zonnestelsel te kunnen realiseren. Volgens schattingen van het Rubin Observatory zou het project het aantal bekende objecten met een factor 10 kunnen vergroten, wat zou kunnen leiden tot een nieuw inzicht in hoe ons zonnestelsel is gevormd en misschien zou kunnen helpen bij het identificeren van bedreigingen van asteroïden die iets te dicht bij de planeet komen. .

Ten slotte zullen Rubin-wetenschappers kijken naar hoe de nachtelijke hemel verandert, bijvoorbeeld hoe sterren sterven of hoe materie in superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels valt.

Een teamprestatie

SLAC-directeur John Sarrao zei dat de camera een "geweldige prestatie" is voor het laboratorium en zijn partners. "De LSST Camera en het Rubin Observatorium zullen nieuwe vensters openen in ons universum, waardoor diepgaande inzichten zullen ontstaan ​​in enkele van de grootste mysteries ervan, terwijl ook wonderen dichter bij huis zullen worden onthuld," zei Sarrao. "Het is spannend om te zien hoe de wetenschappelijke en technische expertise, het projectleiderschap en de sterke mondiale partnerschappen van SLAC op zo'n impactvolle manier samenkomen. We kunnen niet wachten om te zien wat de toekomst biedt."

Onder de partnerlaboratoria die expertise en technologie hebben bijgedragen, bevindt zich het Brookhaven National Laboratory, dat de digitale sensorarray van de camera heeft gebouwd; Lawrence Livermore National Laboratory, dat samen met zijn industriële partners lenzen voor de camera ontwierp en bouwde; en het Nationaal Instituut voor Kern- en Deeltjesfysica van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (IN2P3/CNRS) in Frankrijk, dat heeft bijgedragen aan het ontwerp van sensoren en elektronica en het filteruitwisselingssysteem van de camera heeft gebouwd, waardoor de camera op zes afzonderlijke lichtbanden van ultraviolet tot infrarood.

Paul O'Connor, een senior natuurkundige bij de Instrumentation Division van Brookhaven, zei:"Het team van Brookhaven Lab, van wie sommigen al meer dan twintig jaar aan het project werken, is verheugd om de voltooiing van de LSST-camera te zien. Onze snelle , ultragevoelige CCD-modules, die we met meerdere medewerkers hebben ontwikkeld, zullen bijdragen aan de baanbrekende wetenschap die het Rubin Observatorium de komende tien jaar zal leveren, en we kijken ernaar uit om samen te werken aan dit vlaggenschip astronomisch onderzoek."

Een belangrijk kenmerk van de optische assemblages van de camera zijn de drie lenzen, waarvan er één met een diameter van 1,57 meter (5,1 voet) de grootste hoogwaardige optische lens ter wereld is die ooit is vervaardigd. "Het Lawrence Livermore National Laboratory is buitengewoon trots dat het de kans heeft gehad om de fabricage van de grote lenzen en optische filters voor de LSST-camera te ontwerpen en te overzien, inclusief de grootste lens ter wereld", aldus Vincent Riot, een LLNL-ingenieur en de voormalig LSST Camera-projectmanager.

"LLNL heeft zijn expertise op het gebied van grote optica kunnen benutten, opgebouwd tijdens tientallen jaren van ontwikkeling van 's werelds grootste lasersystemen, en is verheugd om te zien dat dit ongekende instrument voltooid is en klaar is om zijn reis naar het Rubin Observatorium te maken."

IN2P3/CNRS-camerawetenschapper Pierre Antilogus zei:"Om een ​​3D-film van het universum te maken, moest de camera in ongeveer 2 seconden een beeld maken en in minder dan 90 seconden de filters vervangen. Dit is een hele prestatie voor een camera van dit formaat En hoewel de grootte van het brandpuntsvlak van de LSST-camera uniek is, is de dichtheid van de technologie binnenin zelfs nog indrukwekkender. Door de leiding te hebben over het filteruitwisselingssysteem en bij te dragen aan het brandpuntsvlak, is ons team blij hieraan te hebben deelgenomen dit collectieve avontuur om zo'n krachtige camera te ontwikkelen."

Het bouwen van de camera was ook een lonende uitdaging voor het SLAC-team dat de camera heeft gebouwd en het project heeft geleid, zegt Travis Lange, plaatsvervangend projectmanager en camera-integratiemanager van de camera. "Ik ben erg trots op wat we hebben opgebouwd", zei hij. "Dit is zo'n uniek project geweest dat mij heeft blootgesteld aan ongelooflijke ervaringen. Wie had ooit kunnen denken dat de minister van Buitenlandse Zaken en de voorzitter van het Huis van Afgevaardigden een persconferentie zouden houden voor de cleanroom van de camera? Dat zal een zware opgave zijn om te doen." volgen."

Geleverd door SLAC National Accelerator Laboratory