Im Vera-C.-Rubin-Observatorium, Heimat der größten Digitalkamera der Welt

Nächstes Jahr wird die Welt der Astronomie mit dem ersten Betrieb des Vera-C.-Rubin-Observatoriums noch größer. Dieses Mammut-Observatorium befindet sich derzeit auf dem Gipfel des Cerro Pachón, einem fast 9.000 Fuß hohen Berg in Chile, im Bau.

Das Observatorium wird ein 8,4-Meter-Teleskop beherbergen, das Licht von weit entfernten Galaxien einfangen und in die weltweit größte Digitalkamera leiten wird, wodurch unglaublich tiefe Bilder des gesamten Südhimmels entstehen.

Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie Ingenieure die Digitalkameratechnologie von etwas, das klein genug ist, um in Ihr Telefon zu passen, zu etwas groß genug skalieren, um ganze Galaxien einzufangen, haben wir mit Kevin Reil, Wissenschaftler des Rubin-Observatoriums, gesprochen, um mehr über dieses einzigartige Teil des Kits zu erfahren und wie Es könnte helfen, einige der größten Geheimnisse der Astronomie zu enträtseln.

Die größte Digitalkamera der Welt

Grundsätzlich funktioniert die Rubin-Kamera genauso wie eine kommerzielle Digitalkamera wie die in Ihrem Handy – obwohl ihre Technologie eigentlich eher der von Handykameras von vor fünf Jahren entspricht, da sie eine Sensortechnologie namens CCD verwendet statt CMOS, weil der Bau der Observatoriumskamera vor 10 Jahren begonnen hat. Der größte Unterschied liegt in der Größe: Ihre Handykamera hat vielleicht eine Auflösung von 10 Megapixeln , aber die Rubin-Kamera hat unglaubliche 3.200 Megapixel.

Um Ihnen eine greifbarere Vorstellung davon zu geben, wie 3.200 Megapixel aussehen würden, wären laut dem SLAC National Accelerator Laboratory, das die Kamera konstruiert, 378 4K-TV-Bildschirme erforderlich, um ein Bild in voller Größe anzuzeigen. Diese Art von Auflösung würde es Ihnen ermöglichen, einen Golfball aus einer Entfernung von 15 Meilen zu sehen.

Um diese Art von Auflösung zu erreichen, muss jedes Element der Kamerahardware mit äußerster Präzision entworfen und hergestellt werden. Ein Bauteil der Kamera, das besonders sorgfältig gefertigt werden muss, sind die Objektive. Es gibt drei Linsen, die bei der Korrektur von Aberrationen in eingehenden Signalen helfen, und jede muss eine perfekt makellose Oberfläche haben.

Das ist noch schwieriger zu erreichen als die für Teleskopspiegel erforderliche Präzision, da beide Seiten der Linse gleichmäßig poliert werden müssen. „Die Herausforderung besteht nun darin, statt einer Oberfläche für einen Spiegel zwei Oberflächen zu haben, die perfekt sein müssen“, erklärte Reil. „Die gesamte Optik für dieses Observatorium – die Linsen und die Spiegel – sind Dinge, deren Herstellung Jahre dauert.“

Die perfekten Objektive zu finden, ist nicht einmal der schwierigste Teil der Ausrüstung, die für ein solches Teleskop benötigt wird. „Es ist eine bekannte Technologie“, sagte Reil. „Es ist schwierig, aber es gibt Unternehmen, die wissen, wie man diese Linsen herstellt.“

Wo die Rubin-Kamera in viel seltener betretenes Terrain vordringt, sind ihre Sensoren. Bei einer so enorm hohen Auflösung von 3.200 Megapixeln müssen die 189 Sensoren der Kamera in einem Array angeordnet und optimiert werden, bis sie die genauen Spezifikationen erreichen. Jeder dieser Sensoren hat 16 Kanäle, also insgesamt 3.024 Kanäle.

„Für mich persönlich waren die Sensoren die größte Herausforderung“, sagte Reil. „16 Auslesekanäle und 189 Sensoren zu haben und sie alle gleichzeitig auszulesen. Also die Datenerfassung und die wirkliche Anpassung der Sensoren an die Anforderungen.“

Diese Anforderungen an die Sensoren betreffen Dinge wie ein sehr geringes Leserauschen – das ist die körnige Textur, die Sie sehen, wenn Sie mit Ihrem Handy im Dunkeln fotografieren. Um dieses Rauschen zu minimieren, das astronomische Beobachtungen stören würde, werden die Sensoren auf minus 150 Grad Fahrenheit gekühlt. Aber selbst das kann nur bedingt helfen, sodass die Sensoren sehr sorgfältig hergestellt werden müssen, um das Leserauschen zu reduzieren – etwas, das nur eine Handvoll Unternehmen auf der Welt leisten können.

Ein weiteres Problem ist die Fokusebene der Kamera, die damit zu tun hat, wie die Kamera fokussiert. Um diese Ebene innerhalb weniger Mikrometer völlig flach zu halten, müssen die Sensoren auf einem Floß aus Siliziumkarbid montiert und dann in die Kamera eingebaut werden.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Kamera eines Teleskops und einer typischen Digitalkamera liegt in der Verwendung von Filtern. Anstatt Bilder in Farbe aufzunehmen, nehmen Teleskopkameras tatsächlich Schwarzweißbilder bei verschiedenen Wellenlängen auf. Diese Bilder können dann auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, um verschiedene astronomische Merkmale herauszufiltern.

Zu diesem Zweck ist die Rubin-Kamera mit sechs Filtern ausgestattet, von denen jeder verschiedene Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums isoliert – vom ultravioletten über das sichtbare Lichtspektrum bis hin zum Infrarot. Diese Filter sind große, runde Glasstücke , die physisch vor die Kamera bewegt werden müssen, daher ist ein Mechanismus an der Kamera angebracht, um sie nach Bedarf ein- und auszuwechseln. Ein Rad dreht sich um das Kameragehäuse und bringt den erforderlichen Filter nach oben, dann nimmt ein Arm den Filter und schiebt ihn zwischen die Objektive.

Schließlich gibt es noch den Verschluss. Dieses besteht aus einem Zwei-Blatt-System, das über die Vorderseite der Linsen und dann zurück gleitet, um ein Bild aufzunehmen. „Das ist extrem präzise“, sagte Reil. „Der Abstand zwischen diesen beweglichen Klingen und Linse Nummer drei ist sehr, sehr gering.“ Das erfordert eine sorgfältige Konstruktion, um sicherzustellen, dass der Abstand genau richtig ist.

Das Gesamtbild sehen

All diese Präzisionstechnik wird es Rubin ermöglichen, ein extrem leistungsfähiges astronomisches Werkzeug zu sein. Aber es ist nicht so leistungsfähig wie Werkzeuge wie das Hubble-Weltraumteleskop oder das James-Webb-Weltraumteleskop, die dafür ausgelegt sind, sehr weit entfernte Objekte zu betrachten. Stattdessen wird Rubin ganze riesige Teile des Himmels betrachten und den gesamten Himmel sehr schnell überblicken.

Es wird einmal pro Woche den gesamten südlichen Himmel vermessen, diese Aufgabe immer wieder wiederholen und jede Nacht rund 14 Terabyte an Daten sammeln. Durch solche regelmäßig aktualisierten Bilder können Astronomen vergleichen, was letzte Woche in einem bestimmten Bereich des Himmels passiert ist, und was dort diese Woche passiert ist – und das ermöglicht es ihnen, sich schnell entwickelnde Ereignisse wie Supernovae zu erfassen, um zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern.

Es ist also nicht nur eine Herausforderung, all diese Daten mit der Kamerahardware zu sammeln, sondern sie auch sehr schnell zu verarbeiten, damit sie den Astronomen rechtzeitig zur Verfügung gestellt werden können, damit sie neue Ereignisse sehen können, während sie sich ereignen.

Und die Daten werden auch öffentlich zugänglich gemacht. Sie können jedes Objekt am Südhimmel auswählen und Bilder dieses Objekts aufrufen oder einfach durch Vermessungsdaten blättern, die den Himmel in atemberaubenden Details zeigen.

Eine tiefe, große Himmelsdurchmusterung

Das Rubin-Observatorium ist nicht nur eine Ressource für Astronomen, die untersuchen, wie sich ein bestimmtes Objekt im Laufe der Zeit verändert, sondern wird auch wichtig sein, um erdnahe Objekte zu identifizieren. Dies sind Asteroiden oder Kometen, die der Erde nahe kommen und unseren Planeten möglicherweise bedrohen könnten, die jedoch schwer zu erkennen sind, weil sie sich so schnell über den Himmel bewegen.

Mit seinem großen Spiegel und Sichtfeld wird das Rubin-Observatorium in der Lage sein, Objekte zu identifizieren, die der Erde besonders nahe kommen und als potenziell gefährliche Objekte bezeichnet werden. Und da diese Daten häufig aktualisiert werden, sollten sie in der Lage sein, Objekte zu kennzeichnen, die weiter untersucht werden müssen, damit andere Teleskope sie beobachten können.

Aber der größte Beitrag des Observatoriums könnte das Studium der Dunklen Materie und der Dunklen Energie sein. Tatsächlich ist das Observatorium nach der amerikanischen Astronomin Vera C. Rubin benannt, die durch ihre Beobachtungen von Galaxien in den 1960er und 1970er Jahren die ersten Hinweise auf dunkle Materie entdeckte.

Das Rubin-Observatorium wird in der Lage sein, die mysteriöse Substanz der Dunklen Materie zu untersuchen, indem es das Universum in einem sehr großen Maßstab betrachtet.

„Dunkle Materie wirklich sehen – nun ja, das geht nicht“, erklärte Reil. „Aber um dunkle Materie wirklich zu studieren, muss man sich die Galaxienskala ansehen.“

Indem Sie sich ansehen, wie schnell sich die Sterne am Rand einer Galaxie drehen, können Sie ausrechnen, wie viel Masse zwischen diesen Sternen und dem galaktischen Zentrum liegen muss. Wenn wir dies tun, reicht die Masse, die wir sehen können, nicht aus, um diese Rotationen zu erklären – „nicht einmal annähernd genug“, sagte Reil. Es fehlt also an Masse, die wir erklären müssen. „Das ist die dunkle Materie“, fügt er hinzu.

Ein ähnliches Prinzip gilt für ganze Galaxienhaufen. Durch die Beobachtung der Umlaufbahnen von Galaxien innerhalb dieser Haufen, die Rubin mit seinem weiten Sichtfeld beobachten kann, werden die Beobachtungen ein neues Maß an statistischer Aussagekraft erhalten. Und um das verwandte Phänomen der Dunklen Energie zu untersuchen, einer hypothetischen Art von Energie, die die Expansionsrate des Universums erklärt, können Astronomen die berechnete Masse großer Objekte mit ihrer beobachteten Masse vergleichen.

„Sie können jeden Galaxienhaufen sehen, den es gibt, und Sie können nicht mehr Statistiken erhalten als vom gesamten Himmel“, sagte Reil. „Es hat echte Vorteile, alle Daten zum Motiv verfügbar zu haben, anstatt ein kleines Sichtfeld zu haben.“