Dopo 16 anni di progettazione e ingegneria dedicate, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno completato un array di sensori da 3,2 gigapixel per la fotocamera che verrà utilizzato nel Large Synoptic Survey Telescope (LSST), un enorme telescopio che osserverà l'universo come mai prima d'ora.

"Questo è il più grande array di dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) che sia mai stato costruito, "ha detto Paul O'Connor, scienziato senior presso la divisione strumentazione di Brookhaven Lab. "Sono tre miliardi di pixel. Nessun telescopio ha mai messo così tanti sensori in una fotocamera."

L'array di sensori digitali è composto da circa 200 sensori da 16 megapixel, suddiviso in 21 moduli denominati "zattere". Ogni zattera può funzionare da sola, ma quando combinati, vedranno un'area di cielo che può contenere più di 40 lune piene in una singola immagine. I ricercatori uniranno queste immagini per creare un filmato time-lapse dell'intero universo visibile accessibile dal Cile.

Attualmente in costruzione sulla cima di una montagna in Cile, LSST è progettato per catturare le immagini più complete del nostro universo che siano mai state ottenute. Il progetto per costruire la struttura del telescopio e la fotocamera è uno sforzo collaborativo tra più di 30 istituzioni di tutto il mondo, ed è principalmente finanziato dall'Office of Science del DOE e dalla National Science Foundation. Lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE sta guidando lo sforzo complessivo per costruire la fotocamera, la più grande fotocamera per l'astronomia del mondo, mentre Brookhaven ha guidato la progettazione, costruzione, e qualificazione dell'array di sensori digitali, la "pellicola digitale" per la fotocamera.

"È il cuore della fotocamera, "ha detto Bill Wahl, responsabile del sottosistema della zattera scientifica del progetto LSST presso il Brookhaven Lab. "Quello che abbiamo fatto qui a Brookhaven rappresenta anni di grande lavoro di molti scienziati di talento, ingegneri, e tecnici. Il loro lavoro porterà a una raccolta di immagini mai vista prima da nessuno. È un momento entusiasmante per il progetto e per il Lab."

Brookhaven ha iniziato il suo programma di ricerca e sviluppo LSST nel 2003, con la costruzione dell'array di sensori digitali a partire dal 2014. Nel periodo precedente alla costruzione, Brookhaven ha progettato e fabbricato l'attrezzatura di assemblaggio e collaudo per le zattere scientifiche utilizzate sia a Brookhaven che a SLAC. Il Laboratorio ha anche creato un intero impianto di produzione automatizzato e una camera bianca, insieme al software di produzione e monitoraggio.

"Ci siamo assicurati di automatizzare il più possibile l'impianto di produzione, "O'Connor ha detto. "Il test di una singola zattera potrebbe richiedere fino a tre giorni. Stavamo lavorando con un programma serrato, quindi avevamo la nostra struttura automatizzata in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Certo, per una preoccupazione per la sicurezza, c'era sempre qualcuno che controllava la struttura giorno e notte."

Costruire il complesso array di sensori, che funziona sotto vuoto e deve essere raffreddata a -100°C, è una sfida di per sé. Ma il team di Brookhaven è stato anche incaricato di testare ogni zattera completamente assemblata, così come singoli sensori ed elettronica. Una volta completata ogni zattera, doveva essere accuratamente imballato in un ambiente protettivo per essere spedito in sicurezza in tutto il paese a SLAC.

Il team LSST a Brookhaven ha completato la prima zattera nel 2017. Ma poco dopo, sono stati presentati con una nuova sfida.

"In seguito abbiamo scoperto che le caratteristiche del design portavano inavvertitamente alla possibilità che i cavi elettrici nelle zattere potessero andare in cortocircuito, " ha detto O'Connor. "La velocità con cui questo effetto ha avuto un impatto sulle zattere era solo dell'ordine dello 0,2%, ma per evitare ogni possibilità di degrado, ci siamo presi la briga di rimontare quasi tutte le zattere."

Ora, appena due anni dopo l'inizio della produzione di zattere, il team ha costruito e spedito con successo la zattera finale a SLAC per l'integrazione nella fotocamera. Questo segna la fine di un progetto di 16 anni a Brookhaven, cui seguiranno molti anni di osservazione astronomica.

Molti dei talentuosi membri del team reclutati a Brookhaven per il progetto LSST erano giovani ingegneri e tecnici assunti appena usciti dalla scuola di specializzazione. Ora, sono stati tutti assegnati a progetti di fisica in corso presso il laboratorio, come l'aggiornamento del rivelatore PHENIX presso il Relativistic Heavy Ion Collider, una struttura per l'utente dell'Office of Science del DOE per la ricerca sulla fisica nucleare, a sPHENIX, così come il lavoro in corso con il rivelatore ATLAS al Large Hadron Collider del CERN. Brookhaven è il laboratorio ospite degli Stati Uniti per la collaborazione ATLAS

"Il ruolo di Brookhaven nel progetto della fotocamera LSST ha offerto nuove ed entusiasmanti opportunità per gli ingegneri, tecnici, e scienziati in elettro-ottica, dove devono essere soddisfatte specifiche molto esigenti, " Ha detto Wahl. "Il team multidisciplinare che abbiamo riunito ha svolto un lavoro eccellente raggiungendo gli obiettivi di progettazione e sono orgoglioso del tempo trascorso insieme. È stato estremamente gratificante vedere giovani ingegneri e scienziati diventare membri del team molto capaci".

Brookhaven Lab continuerà a svolgere un ruolo importante in LSST in futuro. Mentre il telescopio è in fase di messa in servizio, Gli scienziati di Brookhaven serviranno come esperti sull'array di sensori digitali nella fotocamera. Forniranno inoltre supporto durante le operazioni di LSST, che dovrebbero iniziare nel 2022.

"La messa in servizio di una telecamera così complessa sarà uno sforzo entusiasmante e stimolante, " ha detto il fisico di Brookhaven Andrei Nomerotski, che sta guidando i contributi di Brookhaven alla messa in servizio e alle fasi operative del progetto LSST. "Dopo anni di utilizzo di sorgenti di segnali artificiali per la caratterizzazione dei sensori, non vediamo l'ora di vedere stelle e galassie reali nei CCD LSST".

Una volta operativo nelle Ande, LSST servirà quasi ogni sottoinsieme della comunità di astrofisica. Forse la cosa più importante, LSST consentirà agli scienziati di indagare sull'energia oscura e sulla materia oscura, due enigmi che hanno sconcertato i fisici per decenni. Si stima inoltre che LSST troverà milioni di asteroidi nel nostro sistema solare, oltre ad offrire nuove informazioni sulla creazione della nostra galassia. Le immagini catturate da LSST saranno messe immediatamente a disposizione di fisici e astronomi negli Stati Uniti e in Cile, rendendo LSST uno degli esperimenti di cosmologia più avanzati e accessibili mai creati. Col tempo, i dati saranno resi disponibili al pubblico in tutto il mondo.