As equipes do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia tomaram os primeiros 3, Fotos digitais de 200 megapixels - as maiores já tiradas em uma única foto - com uma extraordinária gama de sensores de imagem que se tornarão o coração e a alma da futura câmera do Observatório Vera C. Rubin.

As imagens são tão grandes que seriam necessárias 378 telas de TV de ultra-alta definição para exibir uma delas em tamanho real, e sua resolução é tão alta que você pode ver uma bola de golfe a cerca de 15 milhas de distância. Essas e outras propriedades em breve conduzirão a pesquisas astrofísicas sem precedentes.

Próximo, o conjunto de sensores será integrado à maior câmera digital do mundo, atualmente em construção no SLAC. Uma vez instalado no Observatório Rubin no Chile, a câmera produzirá imagens panorâmicas de todo o céu meridional - um panorama a cada poucas noites por 10 anos. Seus dados serão inseridos na Pesquisa Legado de Espaço e Tempo do Observatório Rubin (LSST) - um catálogo de mais galáxias do que o número de pessoas vivas na Terra e dos movimentos de incontáveis ​​objetos astrofísicos. Usando a câmera LSST, o observatório criará o maior filme astronômico de todos os tempos e lançará luz sobre alguns dos maiores mistérios do universo, incluindo matéria escura e energia escura.

As primeiras imagens tiradas com os sensores foram um teste para o plano focal da câmera, cuja montagem foi concluída no SLAC em janeiro.

"Este é um grande marco para nós, "disse Vincent Riot, Gerente de projeto da câmera LSST do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE. "O plano focal produzirá as imagens para o LSST, portanto, é o olho capaz e sensível do Observatório Rubin. "

Steven Kahn do SLAC, diretor do observatório, disse, "Esta conquista está entre as mais significativas de todo o Projeto do Observatório Rubin. A conclusão do plano focal da Câmera LSST e seus testes bem-sucedidos é uma grande vitória da equipe de câmeras que permitirá que o Observatório Rubin forneça ciência astronômica de próxima geração."

Uma maravilha tecnológica para a melhor ciência

De certa forma, o plano focal é semelhante ao sensor de imagem de uma câmera digital de consumo ou à câmera de um telefone celular:ele captura a luz emitida ou refletida por um objeto e a converte em sinais elétricos que são usados ​​para produzir uma imagem digital. Mas o plano focal da câmera LSST é muito mais sofisticado. Na verdade, contém 189 sensores individuais, ou dispositivos de carga acoplada (CCDs), cada um traz 16 megapixels para a mesa - quase o mesmo número dos sensores de imagem da maioria das câmeras digitais modernas.

Conjuntos de nove CCDs e seus componentes eletrônicos de suporte foram montados em unidades quadradas, chamados de "jangadas científicas, "no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE e enviado para o SLAC. Lá, a equipe de câmeras inseriu 21 deles, além de quatro jangadas especiais adicionais não usadas para imagens, em uma grade que os mantém no lugar.

O plano focal possui algumas propriedades verdadeiramente extraordinárias. Não só contém 3,2 bilhões de pixels, mas seus pixels também são muito pequenos - cerca de 10 mícrons de largura - e o plano focal em si é extremamente plano, variando em não mais do que um décimo da largura de um cabelo humano. Isso permite que a câmera produza imagens nítidas em alta resolução. Com mais de 2 pés de largura, o plano focal é enorme em comparação com o sensor de imagem de 1,4 polegada de largura de uma câmera de consumidor full-frame e grande o suficiente para capturar uma parte do céu do tamanho de cerca de 40 luas cheias. Finalmente, todo o telescópio é projetado de tal forma que os sensores de imagem serão capazes de localizar objetos 100 milhões de vezes mais escuros do que aqueles visíveis a olho nu - uma sensibilidade que permitiria ver uma vela a milhares de quilômetros de distância.

"Essas especificações são surpreendentes, "disse Steven Ritz, cientista do projeto para a câmera LSST na Universidade da Califórnia, Santa Cruz. "Esses recursos exclusivos habilitarão o ambicioso programa de ciências do Observatório Rubin."

Mais de 10 anos, a câmera irá coletar imagens de cerca de 20 bilhões de galáxias. "Esses dados irão melhorar nosso conhecimento de como as galáxias evoluíram ao longo do tempo e nos permitirão testar nossos modelos de matéria escura e energia escura de forma mais profunda e precisa do que nunca, "Ritz disse." O observatório será uma instalação maravilhosa para uma ampla gama de ciência - de estudos detalhados de nosso sistema solar a estudos de objetos distantes em direção à borda do universo visível. "

Um processo de montagem de alto risco

A conclusão do plano focal no início deste ano concluiu seis meses estressantes para a tripulação do SLAC que inseriu as 25 jangadas em seus estreitos slots na grade. Para maximizar a área de imagem, as lacunas entre os sensores nas jangadas vizinhas têm menos de cinco fios de cabelo humanos de largura. Uma vez que os sensores de imagem racham facilmente se tocarem um no outro, isso tornava toda a operação muito complicada.

As balsas também são caras - até US $ 3 milhões cada.

Hannah Pollek, engenheira mecânica do SLAC, que trabalhou na linha de frente da integração de sensores, disse, "A combinação de apostas altas e tolerâncias estreitas tornou este projeto muito desafiador. Mas com uma equipe versátil nós praticamente acertamos em cheio."

Os membros da equipe passaram um ano se preparando para a instalação da jangada, instalando várias jangadas de "prática" que não entraram no plano focal final. Isso permitiu que eles aperfeiçoassem o procedimento de puxar cada um dos Jangadas de 20 libras na grade usando um pórtico especializado desenvolvido por Travis Lange do SLAC, engenheiro mecânico líder na instalação da jangada.

Tim Bond, chefe da equipe de teste e integração de câmeras LSST no SLAC, disse, "O tamanho dos componentes individuais da câmera é impressionante, e também o tamanho das equipes que trabalham neles. Foi necessária uma equipe bem coreografada para concluir a montagem do plano focal, e absolutamente todos os que estão trabalhando nisso estão à altura do desafio. "

Pegando os 3 primeiros, Imagens de 200 megapixels

O plano focal foi colocado dentro de um criostato, onde os sensores são resfriados a 150 graus Fahrenheit negativos, sua temperatura operacional exigida. Após vários meses sem acesso ao laboratório devido à pandemia de coronavírus, a equipe de câmera retomou seu trabalho em maio com capacidade limitada e seguindo rígidos requisitos de distanciamento social. Extensos testes estão em andamento para garantir que o plano focal atenda aos requisitos técnicos necessários para apoiar o programa de ciências do Observatório Rubin.

Pegando os 3 primeiros, Imagens de 200 megapixels de uma variedade de objetos, incluindo um Romanesco que foi escolhido por sua estrutura de superfície muito detalhada, foi um desses testes. Para fazer isso sem uma câmera totalmente montada, a equipe SLAC usou um furo de agulha de 150 mícrons para projetar imagens no plano focal. Estas fotos, que pode ser explorado em resolução completa online (links na parte inferior do comunicado), mostram os detalhes extraordinários capturados pelos sensores de imagem.

"Tirar essas imagens é uma grande conquista, "disse Aaron Roodman do SLAC, o cientista responsável pela montagem e teste da Câmera LSST. "Com as especificações rígidas, realmente ultrapassamos os limites do que é possível tirar vantagem de cada milímetro quadrado do plano focal e maximizar a ciência que podemos fazer com isso."

Equipe de câmeras na reta final

Um trabalho mais desafiador está à frente conforme a equipe conclui a montagem da câmera.

Nos próximos meses, eles irão inserir o criostato com o plano focal no corpo da câmera e adicionar as lentes da câmera, incluindo a maior lente ótica do mundo, um obturador e um sistema de troca de filtros para estudos do céu noturno em diferentes cores. Em meados de 2021, a câmera do tamanho de um SUV estará pronta para o teste final antes de começar sua jornada para o Chile.

"A proximidade da conclusão da câmera é muito emocionante, e estamos orgulhosos de desempenhar um papel tão central na construção deste componente-chave do Observatório Rubin, "disse JoAnne Hewett, Diretor de pesquisa do SLAC e diretor de laboratório associado para física fundamental. "É um marco que nos traz um grande passo mais perto de explorar questões fundamentais sobre o universo de maneiras que não fomos capazes de fazer antes."