Die Vera C. Rubin-Observatorium hat einen weiteren Schritt in Richtung des ersten Lichts getan, das für einige Zeit im Jahr 2022 projiziert wird. Seine riesige 3200-Megapixel-Kamera hat gerade bei Labortests im SLAC National Accelerator Laboratory . Die Kamera ist die größte, die jemals gebaut wurde, und ihre beispiellose Leistung ist die treibende Kraft hinter der zehnjährigen Legacy Survey of Space and Time (LSST) des Observatoriums.
In Verbindung mit dem 8,4-Meter-Hauptspiegel ist die Kamera eine beeindruckende, datenproduzierende Monstrosität. Seine Brennebene enthält 189 separate ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs), die jeweils 16 Megapixel erfassen. Jedes 3200-Megapixel-Bild würde 378 4K-Ultra-High-Definition-TV-Bildschirme zur Anzeige benötigen.
Jedes Bild ist so groß, dass ein einzelnes einen Himmelsbereich einfängt, der 40 Vollmonden entspricht. Das Team hinter der Kamera sagt, dass die Bildsensoren so leistungsstark sind, dass sie Objekte „sehen“ können, die 100 Millionen Mal dunkler sind, als das bloße Auge sehen könnte. Eine Pressemitteilung des SLAC weist darauf hin, dass man bei dieser Empfindlichkeit eine Kerze aus Tausenden von Kilometern Entfernung sehen könnte.
„Diese einzigartigen Funktionen werden das ehrgeizige Wissenschaftsprogramm des Rubin-Observatoriums ermöglichen.“
Steven Ritz, Projektwissenschaftler, LSST Camera, University of California, Santa Cruz.
„Dies ist ein großer Meilenstein für uns“, sagte Vincent Riot, LSST-Kamera-Projektmanager vom Lawrence Livermore National Laboratory des DOE. „Die Brennebene wird die Bilder für das LSST produzieren, also das fähige und empfindliche Auge des Rubin-Observatoriums.“
Steven Kahn vom SLAC, Direktor des Observatoriums, sagte in a Pressemitteilung , „Dieser Erfolg gehört zu den bedeutendsten des gesamten Rubin-Observatoriums-Projekts. Die Fertigstellung der Brennebene der LSST-Kamera und ihre erfolgreichen Tests sind ein großer Sieg des Kamerateams, der es dem Rubin-Observatorium ermöglichen wird, astronomische Wissenschaft der nächsten Generation zu liefern.“
Zehn Jahre lang wird das Observatorium jede Nacht über 20 Terabyte an Daten erfassen. Am Ende seiner zehnjährigen Umfrage wird es 60 Petabyte produziert haben.
Es werden so viele Daten produziert, dass zwei dedizierte 40-GB-Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Datenleitungen dafür zur Verfügung stehen. Alle diese Daten werden an das Archivzentrum in den USA übertragen. Dort werden sie verarbeitet, gespeichert und der Community zur Verfügung gestellt.
Das Rubin-Observatorium wird eine außergewöhnliche Datenmenge erzeugen, und deren Verwaltung erfordert Hochgeschwindigkeits-Glasfaser und eine Dateneinrichtung. Bildquelle: Rubin Obs/NSF/AURA
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All diese Bildsammlung und -verarbeitung wird die Ausgabe des Rubin-Observatoriums erzeugen: Panorama-Weitfeldbilder des südlichen Himmels, alle paar Nächte für 10 Jahre. All diese Bilder ergeben ein großes, zehn Jahre langes Video des Nachthimmels.
Dies wird der wichtigste Beitrag des Rubin-Observatoriums zur Astronomie sein: der Legacy Survey of Space and Time (LSST). Die LSST wird ein Katalog von rund 20 Milliarden Galaxien sein, mehr Galaxien als Menschen. Es wird alle Arten von vorübergehenden Objekten finden, wie Asteroiden, die unser Sonnensystem umkreisen, sowie entfernte Supernovae. Es wird helfen, dunkle Materie und dunkle Energie sowie unsere eigene Milchstraße zu kartieren.
Das Kamerasensorsystem besteht aus Einheiten, die Flöße genannt werden. Jedes Floß enthält jeweils mehrere Sensoren, und es gibt zwei Arten von Flößen. 21 Flöße enthalten jeweils neun Sensoren, und diese 21 sind für die Aufnahme der Bilder verantwortlich. Dann gibt es vier Spezialflöße. Sie enthalten jeweils drei Sensoren und sind für die Fokussierung der Kamera und die Synchronisation mit der Erdrotation verantwortlich.
Das Kamerateam des Large Synoptic Survey Telescope (LSST) hat das erste von 21 wissenschaftlichen Rafts installiert – 3-mal-3-Arrays hochmoderner Bildsensoren. Dieses Bild zeigt eines der 3-mal-3-Bilderfassungs-Arrays und eines der kleineren Ziel- und Synchronisations-Arrays. Zusammen wird das Bildgebungssystem beispiellose 3.200-Megapixel-Bilder des Nachthimmels aufnehmen, die im Laufe der Zeit den größten astrophysikalischen Film der Welt produzieren werden. Foto: Farrin Abbott / SLAC
„Diese Spezifikationen sind einfach erstaunlich“, sagte Steven Ritz, Projektwissenschaftler für die LSST-Kamera an der University of California, Santa Cruz. „Diese einzigartigen Funktionen werden das ehrgeizige Wissenschaftsprogramm des Rubin-Observatoriums ermöglichen.“
„Diese Daten werden unser Wissen über die Entwicklung von Galaxien im Laufe der Zeit verbessern und es uns ermöglichen, unsere Modelle der Dunklen Materie und der Dunklen Energie tiefer und präziser denn je zu testen“, sagte Ritz. „Das Observatorium wird eine wunderbare Einrichtung für ein breites Spektrum der Wissenschaft sein – von detaillierten Studien unseres Sonnensystems bis hin zu Studien weit entfernter Objekte am Rande des sichtbaren Universums.“
Die Brennebene der LSST-Kamera hat eine Oberfläche, die groß genug ist, um einen Teil des Himmels von der Größe von 40 Vollmonden einzufangen. Seine Auflösung ist so hoch, dass Sie einen Golfball aus einer Entfernung von 24 km erkennen können. Bildquelle: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Das Kamerateam hat mehrere Monate gebraucht, um die Flöße auf der Brennebene zu installieren. Die Flöße sind sehr teure Ausrüstungsgegenstände. Jeder kann bis zu 3 Millionen US-Dollar kosten, und die Toleranzen bei der Installation sind extrem eng. Der Raum zwischen jedem Floß ist weniger als fünf menschliche Haare breit. Die bildgebenden Sensoren können auch knacken, wenn sie sich berühren.
Hannah Pollek ist Maschinenbauingenieurin bei SLAC und hat an der Sensorintegration gearbeitet. In einer Pressemitteilung sagte sie: „Die Kombination aus hohen Einsätzen und engen Toleranzen machte dieses Projekt sehr anspruchsvoll. Aber mit einem vielseitigen Team haben wir es ziemlich geschafft.“
Um diese ersten Bilder aufzunehmen, wurden die Sensoren auf ihre Betriebstemperatur von -101 °C (-150 °F) abgekühlt. Da noch nicht die gesamte Kamera zusammengebaut ist, projizierte das Team Bilder mit einem 150 Mikron . auf die Brennebene Lochblende . Als Objekte für die Testbilder dienten ein Kopf von Romanesco Brokkoli, der Flammarion-Gravur , ein Foto von Vera C. Rubin sich selbst, eine Fotocollage von LSST-Teammitgliedern und eine Fotocollage von Logos der LSST-Mitgliedsinstitutionen.
„Die Aufnahme dieser Bilder ist eine große Leistung“, sagte Aaron Roodman vom SLAC, der für die Montage und das Testen der LSST-Kamera verantwortliche Wissenschaftler. „Mit den engen Spezifikationen sind wir wirklich an die Grenzen des Möglichen gegangen, um jeden Quadratmillimeter der Fokusebene zu nutzen und die Wissenschaft zu maximieren, die wir damit machen können.“
Mit einem Lochkameraprojektor projizieren Yousuke Utsumi (rechts) vom SLAC und Aaron Roodman die ersten Bilder auf die Brennebene der LSST-Kamera. Unter den ersten fotografierten Objekten war ein Kopf von Romanesco, der hier zu sehen ist und wegen seiner sehr detaillierten Textur ausgewählt wurde. Bildquelle: Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory.
Der nächste Schritt ist die Montage der gesamten Kamera. Die Brennebene und die Kryostat wird zusammen mit seinen drei Objektiven in das Kameragehäuse eingesetzt. Eines dieser Objektive mit einem Durchmesser von 1,57 Metern gilt als das weltweit führende größte optische Hochleistungslinse . Es gibt auch den Verschluss und ein Filterwechselsystem. Insgesamt wird die Kamera etwa die Größe eines SUV haben und bis 2021 fertig montiert und bereit für die abschließende Erprobung sein. Danach wird es nach Chile verschifft.
„Die Fertigstellung der Kamera ist sehr aufregend und wir sind stolz darauf, eine so zentrale Rolle beim Aufbau dieser Schlüsselkomponente des Rubin-Observatoriums zu spielen“, sagte JoAnne Hewett, Chief Research Officer und Associate Lab Director des SLAC für Grundlagenphysik. „Es ist ein Meilenstein, der uns der Erforschung grundlegender Fragen des Universums auf eine Weise näher bringt, die wir vorher nicht konnten.“
Das Team von LSST Camera wird in den nächsten Monaten die restlichen Kamerakomponenten inklusive der Objektive, eines Shutters und eines Filterwechselsystems integrieren. Bis Mitte 2021 soll die Kamera in SUV-Größe für den finalen Test bereit sein. Bildquelle: Chris Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Das Besondere am Vera-C.-Rubin-Observatorium ist die Tatsache, dass es immer wieder die gleichen Himmelsbereiche in schneller Folge abbildet. All diese Aktivitäten sind ebenfalls weitgehend automatisiert. Dies bedeutet, dass es vorübergehende Objekte erkennt und andere Observatorien auf Dinge wie Supernovae aufmerksam machen kann. Das wird es ermöglichen, dass bald leistungsstarke Teleskope online gehen, wie das Extrem großes Teleskop , um ihre Macht auf eine Weise zu nutzen, die das Rubin-Observatorium nicht kann.
Ein Testbild der Bildsensoren des Vera-Rubin-Observatoriums. Da die Sensoren noch nicht in die Linsen integriert sind, hat das Team eine Lochblende verwendet, um dieses Bild von Romanesco-Brokkoli aufzunehmen. Bildquelle: LSST-Organisation.
All diese exquisiten Bilddaten werden auch für den Rest von uns zugänglich sein. 2007 gab Google seine Beteiligung an dem Projekt bekannt. Während die Daten des LSST den Forschern in einer roheren Form zur Verfügung stehen, möchte Google seine Datenexpertise nutzen, um LSST-Daten der Öffentlichkeit zugänglicher zu machen. Sie hoffen, eine digitale Abdeckung von Dingen wie Supernovae, Asteroiden und fernen Galaxien bereitzustellen.
Die Schlagworte des Vera-Rubin-Observatoriums sind „breit, tief und schnell“. Es wird den Nachthimmel wiederholt mit einem weiten Sichtfeld, mit hochauflösender Tiefe und schnell vermessen. So etwas hat es noch nie gegeben.
Und die Tatsache, dass jeder mit einer Internetverbindung an den Entdeckungen und Bildern teilhaben kann, bedeutet, dass das Rubin-Observatorium Generationen von zukünftigen Astronomen inspirieren könnte, genau wie das Hubble-Weltraumteleskop.
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