Los equipos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía han tomado los primeros 3, Fotografías digitales de 200 megapíxeles, las más grandes jamás tomadas en una sola toma, con una extraordinaria variedad de sensores de imágenes que se convertirán en el corazón y el alma de la futura cámara del Observatorio Vera C. Rubin.

Las imágenes son tan grandes que se necesitarían 378 pantallas de TV 4K de ultra alta definición para mostrar una de ellas en tamaño completo. y su resolución es tan alta que se puede ver una pelota de golf a unas 15 millas de distancia. Estas y otras propiedades pronto impulsarán una investigación astrofísica sin precedentes.

Próximo, el conjunto de sensores se integrará en la cámara digital más grande del mundo, actualmente en construcción en SLAC. Una vez instalado en el Observatorio Rubin en Chile, la cámara producirá imágenes panorámicas del cielo meridional completo, una panorámica cada pocas noches durante 10 años. Sus datos se incorporarán al Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Rubin, un catálogo de más galaxias que personas vivas en la Tierra y de los movimientos de innumerables objetos astrofísicos. Usando la cámara LSST, el observatorio creará la película astronómica más grande de todos los tiempos y arrojará luz sobre algunos de los mayores misterios del universo, incluyendo materia oscura y energía oscura.

Las primeras imágenes tomadas con los sensores fueron una prueba para el plano focal de la cámara, cuyo montaje se completó en SLAC en enero.

"Este es un gran hito para nosotros, "dijo Vincent Riot, Gerente de proyecto de la cámara LSST del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE. "El plano focal producirá las imágenes para el LSST, por lo que es el ojo capaz y sensible del Observatorio Rubin ".

Steven Kahn de SLAC, director del observatorio, dijo, "Este logro es uno de los más importantes de todo el Proyecto del Observatorio Rubin. La finalización del plano focal de la cámara LSST y sus pruebas exitosas es una gran victoria del equipo de cámaras que permitirá al Observatorio Rubin ofrecer ciencia astronómica de próxima generación".

Una maravilla tecnológica para la mejor ciencia

En cierto sentido, el plano focal es similar al sensor de imágenes de una cámara de consumidor digital o la cámara de un teléfono celular:captura la luz emitida o reflejada por un objeto y la convierte en señales eléctricas que se utilizan para producir una imagen digital. Pero el plano focal de la cámara LSST es mucho más sofisticado. De hecho, contiene 189 sensores individuales, o dispositivos de carga acoplada (CCD), que cada uno aporta 16 megapíxeles a la mesa, aproximadamente el mismo número que los sensores de imágenes de la mayoría de las cámaras digitales modernas.

Se ensamblaron conjuntos de nueve CCD y sus componentes electrónicos de apoyo en unidades cuadradas, llamadas "balsas científicas, "en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE y enviado a SLAC. Allí, el equipo de cámara insertó 21 de ellos, más cuatro balsas especiales adicionales que no se utilizan para imágenes, en una cuadrícula que los mantiene en su lugar.

El plano focal tiene algunas propiedades verdaderamente extraordinarias. No solo contiene la friolera de 3,2 mil millones de píxeles, pero sus píxeles también son muy pequeños (alrededor de 10 micrones de ancho) y el plano focal en sí es extremadamente plano, variando en no más de una décima parte del ancho de un cabello humano. Esto permite que la cámara produzca imágenes nítidas con una resolución muy alta. A más de 2 pies de ancho, el plano focal es enorme en comparación con el sensor de imágenes de 1,4 pulgadas de ancho de una cámara de consumo de fotograma completo y lo suficientemente grande como para capturar una porción del cielo del tamaño de 40 lunas llenas. Finalmente, Todo el telescopio está diseñado de tal manera que los sensores de imágenes podrán detectar objetos 100 millones de veces más tenues que los visibles a simple vista, una sensibilidad que le permitiría ver una vela a miles de kilómetros de distancia.

"Estas especificaciones son asombrosas, "dijo Steven Ritz, científico del proyecto para la cámara LSST en la Universidad de California, Santa Cruz. "Estas características únicas permitirán el ambicioso programa científico del Observatorio Rubin".

Mas de 10 años, la cámara recopilará imágenes de aproximadamente 20 mil millones de galaxias. "Estos datos mejorarán nuestro conocimiento de cómo han evolucionado las galaxias a lo largo del tiempo y nos permitirán probar nuestros modelos de materia oscura y energía oscura con mayor profundidad y precisión que nunca". ", Dijo Ritz." El observatorio será una instalación maravillosa para una amplia gama de ciencia, desde estudios detallados de nuestro sistema solar hasta estudios de objetos lejanos hacia el borde del universo visible ".

Un proceso de ensamblaje de alto riesgo

La finalización del plano focal a principios de este año concluyó seis meses angustiosos para el equipo de SLAC que insertó las 25 balsas en sus estrechas ranuras en la cuadrícula. Para maximizar el área de imagen, los espacios entre los sensores de las balsas vecinas tienen menos de cinco cabellos humanos de ancho. Dado que los sensores de imagen se rompen fácilmente si se tocan entre sí, esto hizo que toda la operación fuera muy complicada.

Las balsas también son costosas, hasta $ 3 millones cada una.

La ingeniera mecánica de SLAC Hannah Pollek, que trabajó en la primera línea de integración de sensores, dijo, "La combinación de altas apuestas y estrictas tolerancias hizo que este proyecto fuera muy desafiante. Pero con un equipo versátil prácticamente lo clavamos".

Los miembros del equipo pasaron un año preparándose para la instalación de la balsa mediante la instalación de numerosas balsas de "práctica" que no entraron en el plano focal final. Eso les permitió perfeccionar el procedimiento de tirar de cada uno de los 2 pies de alto, Balsas de 20 libras en la red utilizando un pórtico especializado desarrollado por Travis Lange de SLAC, Ingeniero mecánico principal en la instalación de la balsa.

Tim Bond, jefe del equipo de prueba e integración de cámaras LSST en SLAC, dijo, "El tamaño de los componentes individuales de la cámara es impresionante, y también lo son el tamaño de los equipos que trabajan en ellos. Se necesitó un equipo bien coreografiado para completar el ensamblaje del plano focal, y absolutamente todos los que trabajaron en él estuvieron a la altura del desafío ".

Tomando los primeros 3, Imágenes de 200 megapíxeles

El plano focal se ha colocado dentro de un criostato, donde los sensores se enfrían a 150 grados Fahrenheit negativos, su temperatura de funcionamiento requerida. Después de varios meses sin acceso al laboratorio debido a la pandemia de coronavirus, el equipo de cámara reanudó su trabajo en mayo con aforo limitado y siguiendo estrictos requisitos de distanciamiento social. Ahora se están realizando pruebas exhaustivas para asegurarse de que el plano focal cumpla con los requisitos técnicos necesarios para respaldar el programa científico del Observatorio Rubin.

Tomando los primeros 3, Imágenes de 200 megapíxeles de una variedad de objetos, incluyendo un Romanesco que fue elegido por su estructura de superficie muy detallada, fue una de estas pruebas. Para hacerlo sin una cámara completamente ensamblada, el equipo de SLAC utilizó un orificio de alfiler de 150 micrones para proyectar imágenes en el plano focal. Estas fotos, que se puede explorar en resolución completa en línea (enlaces en la parte inferior del comunicado), muestran el extraordinario detalle capturado por los sensores de imágenes.

"Tomar estas imágenes es un gran logro, "dijo Aaron Roodman de SLAC, el científico responsable del montaje y prueba de la cámara LSST. "Con las estrictas especificaciones, realmente empujamos los límites de lo que es posible para aprovechar cada milímetro cuadrado del plano focal y maximizar la ciencia que podemos hacer con él".

Equipo de cámara en la recta final

Hay un trabajo más desafiante por delante a medida que el equipo completa el ensamblaje de la cámara.

En los próximos meses, Insertarán el criostato con el plano focal en el cuerpo de la cámara y agregarán las lentes de la cámara, incluyendo la lente óptica más grande del mundo, una persiana y un sistema de intercambio de filtros para estudios del cielo nocturno en diferentes colores. A mediados de 2021, la cámara del tamaño de un SUV estará lista para las pruebas finales antes de que comience su viaje a Chile.

"Es muy emocionante estar a punto de terminar la cámara, y estamos orgullosos de desempeñar un papel tan importante en la construcción de este componente clave del Observatorio Rubin, "dijo JoAnne Hewett, Director de investigación de SLAC y director de laboratorio asociado de física fundamental. "Es un hito que nos acerca un gran paso hacia la exploración de cuestiones fundamentales sobre el universo de formas que no habíamos podido hacer antes".