Gli equipaggi del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia hanno preso i primi 3, Foto digitali da 200 megapixel, le più grandi mai scattate in un singolo scatto, con una straordinaria gamma di sensori di imaging che diventeranno il cuore e l'anima della futura fotocamera dell'Osservatorio Vera C. Rubin.

Le immagini sono così grandi che ci vorrebbero 378 schermi TV 4K ad altissima definizione per visualizzarne uno a grandezza naturale, e la loro risoluzione è così alta che potresti vedere una pallina da golf da circa 15 miglia di distanza. Queste e altre proprietà guideranno presto una ricerca astrofisica senza precedenti.

Prossimo, l'array di sensori sarà integrato nella fotocamera digitale più grande del mondo, attualmente in costruzione presso SLAC. Una volta installato presso l'Osservatorio Rubin in Cile, la fotocamera produrrà immagini panoramiche dell'intero cielo australe, un panorama ogni poche notti per 10 anni. I suoi dati confluiranno nel Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST), un catalogo di più galassie di quante siano le persone viventi sulla Terra e dei movimenti di innumerevoli oggetti astrofisici. Utilizzando la fotocamera LSST, l'osservatorio creerà il più grande film astronomico di tutti i tempi e farà luce su alcuni dei più grandi misteri dell'universo, comprese la materia oscura e l'energia oscura.

Le prime immagini scattate con i sensori erano un test per il piano focale della fotocamera, la cui assemblea è stata completata allo SLAC nel mese di gennaio.

"Questo è un grande traguardo per noi, " ha detto Vincent Riot, Responsabile del progetto LSST Camera dal Lawrence Livermore National Laboratory del DOE. "Il piano focale produrrà le immagini per l'LSST, quindi è l'occhio capace e sensibile dell'Osservatorio Rubin."

Steven Kahn degli SLAC, direttore dell'Osservatorio, disse, "Questo risultato è tra i più significativi dell'intero progetto dell'Osservatorio Rubin. Il completamento del piano focale della fotocamera LSST e i suoi test di successo sono un'enorme vittoria del team della fotocamera che consentirà all'Osservatorio Rubin di fornire la scienza astronomica di prossima generazione".

Una meraviglia tecnologica per la migliore scienza

In un modo, il piano focale è simile al sensore di imaging di una fotocamera digitale consumer o alla fotocamera di un telefono cellulare:cattura la luce emessa o riflessa da un oggetto e la converte in segnali elettrici utilizzati per produrre un'immagine digitale. Ma il piano focale della fotocamera LSST è molto più sofisticato. Infatti, contiene 189 sensori individuali, o dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD), ciascuno porta 16 megapixel sul tavolo, circa lo stesso numero dei sensori di imaging della maggior parte delle moderne fotocamere digitali.

Set di nove CCD e la loro elettronica di supporto sono stati assemblati in unità quadrate, chiamate "zattere scientifiche, " al Brookhaven National Laboratory del DOE e spedito allo SLAC. Lì, il team di ripresa ne ha inseriti 21, più altre quattro zattere speciali non utilizzate per l'imaging, in una griglia che li tiene in posizione.

Il piano focale ha delle proprietà davvero straordinarie. Non solo contiene ben 3,2 miliardi di pixel, ma i suoi pixel sono anche molto piccoli, circa 10 micron di larghezza, e il piano focale stesso è estremamente piatto, variando di non più di un decimo della larghezza di un capello umano. Ciò consente alla fotocamera di produrre immagini nitide ad altissima risoluzione. A più di 2 piedi di larghezza, il piano focale è enorme rispetto al sensore di imaging da 1,4 pollici di una fotocamera consumer full frame e abbastanza grande da catturare una porzione di cielo delle dimensioni di 40 lune piene. Finalmente, l'intero telescopio è progettato in modo tale che i sensori di imaging saranno in grado di individuare oggetti 100 milioni di volte più deboli di quelli visibili ad occhio nudo, una sensibilità che ti permetterebbe di vedere una candela a migliaia di chilometri di distanza.

"Queste specifiche sono semplicemente sorprendenti, " ha detto Steven Ritz, scienziato del progetto per la LSST Camera presso l'Università della California, Santa Cruz. "Queste caratteristiche uniche consentiranno l'ambizioso programma scientifico dell'Osservatorio Rubin".

Oltre 10 anni, la fotocamera raccoglierà immagini di circa 20 miliardi di galassie. "Questi dati miglioreranno la nostra conoscenza di come le galassie si sono evolute nel tempo e ci permetteranno di testare i nostri modelli di materia oscura ed energia oscura in modo più approfondito e preciso che mai, Ritz ha detto. "L'osservatorio sarà una struttura meravigliosa per un'ampia gamma di scienze, da studi dettagliati del nostro sistema solare a studi di oggetti lontani verso il confine dell'universo visibile".

Un processo di assemblaggio ad alto rischio

Il completamento del piano focale all'inizio di quest'anno ha concluso sei mesi snervanti per l'equipaggio SLAC che ha inserito le 25 zattere nelle loro strette fessure nella griglia. Per massimizzare l'area di imaging, gli spazi tra i sensori sulle zattere vicine sono larghi meno di cinque capelli umani. Poiché i sensori di imaging si rompono facilmente se si toccano, questo ha reso l'intera operazione molto complicata.

Le zattere sono anche costose, fino a 3 milioni di dollari l'una.

L'ingegnere meccanico SLAC Hannah Pollek, che ha lavorato in prima linea nell'integrazione dei sensori, disse, "La combinazione di posta in gioco elevata e tolleranze ristrette ha reso questo progetto molto impegnativo. Ma con un team versatile l'abbiamo praticamente azzeccato".

I membri del team hanno trascorso un anno a prepararsi per l'installazione della zattera installando numerose zattere "di pratica" che non sono andate nel piano focale finale. Ciò ha permesso loro di perfezionare la procedura di tirare ciascuno dei 2 piedi di altezza, Zattere da 20 libbre nella rete utilizzando un cavalletto specializzato sviluppato da Travis Lange di SLAC, capo ingegnere meccanico sull'installazione della zattera.

Tim Bond, capo del team LSST Camera Integration and Test presso SLAC, disse, "Le dimensioni dei singoli componenti della fotocamera sono impressionanti, e così sono le dimensioni delle squadre che ci lavorano. Ci è voluta una squadra ben coreografata per completare l'assemblaggio del piano focale, e assolutamente tutti quelli che ci hanno lavorato sono stati all'altezza della sfida."

Prendendo i primi 3, Immagini da 200 megapixel

Il piano focale è stato posizionato all'interno di un criostato, dove i sensori sono raffreddati a 150 gradi Fahrenheit negativi, la loro temperatura di esercizio richiesta. Dopo diversi mesi senza accesso al laboratorio a causa della pandemia di coronavirus, il team della telecamera ha ripreso il suo lavoro a maggio con una capacità limitata e seguendo rigidi requisiti di distanziamento sociale. Sono ora in corso test approfonditi per assicurarsi che il piano focale soddisfi i requisiti tecnici necessari per supportare il programma scientifico dell'Osservatorio Rubin.

Prendendo i primi 3, Immagini da 200 megapixel di una varietà di oggetti, tra cui un Romanesco che è stato scelto per la sua struttura superficiale molto dettagliata, era uno di questi test. Per farlo senza una fotocamera completamente assemblata, il team SLAC ha utilizzato un foro stenopeico da 150 micron per proiettare le immagini sul piano focale. Queste foto, che può essere esplorato in piena risoluzione online (link in fondo al comunicato), mostra lo straordinario dettaglio catturato dai sensori di imaging.

"Prendere queste immagini è un risultato importante, " ha detto Aaron Roodman di SLAC, lo scienziato responsabile dell'assemblaggio e del collaudo della fotocamera LSST. "Con le specifiche rigorose abbiamo davvero spinto i limiti di ciò che è possibile sfruttare ogni millimetro quadrato del piano focale e massimizzare la scienza che possiamo fare con esso".

Squadra di ripresa in dirittura d'arrivo

Ci aspetta un lavoro più impegnativo mentre il team completa l'assemblaggio della fotocamera.

Nei prossimi mesi, inseriranno il criostato con il piano focale nel corpo della fotocamera e aggiungeranno gli obiettivi della fotocamera, compreso l'obiettivo ottico più grande del mondo, un otturatore e un sistema di cambio filtri per studi del cielo notturno in diversi colori. Entro la metà del 2021, la fotocamera delle dimensioni di un SUV sarà pronta per i test finali prima di iniziare il suo viaggio in Cile.

"Avvicinarsi al completamento della fotocamera è molto eccitante, e siamo orgogliosi di svolgere un ruolo così centrale nella costruzione di questo componente chiave dell'Osservatorio Rubin, " ha detto JoAnne Hewett, Direttore della ricerca SLAC e direttore del laboratorio associato per la fisica fondamentale. "È una pietra miliare che ci porta un grande passo avanti verso l'esplorazione di questioni fondamentali sull'universo in modi che non siamo stati in grado di fare prima".