Sensorer fra verdens største digitalkamera snap first 3, 200 megapixel billeder på SLAC

Besætninger på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har taget de første 3, 200 megapixel digitale billeder – de største nogensinde taget i et enkelt billede – med en ekstraordinær række billedsensorer, der vil blive hjertet og sjælen i Vera C. Rubin Observatorys fremtidige kamera.

Billederne er så store, at det ville tage 378 4K ultra-high-definition tv-skærme at vise en af ​​dem i fuld størrelse, og deres opløsning er så høj, at du kunne se en golfbold fra omkring 15 miles væk. Disse og andre egenskaber vil snart drive hidtil uset astrofysisk forskning.

Næste, sensorarrayet vil blive integreret i verdens største digitale kamera, i øjeblikket under opbygning hos SLAC. En gang installeret på Rubin Observatory i Chile, kameraet vil producere panoramabilleder af den komplette sydlige himmel – et panorama hver par nætter i 10 år. Dens data vil føres ind i Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) - et katalog over flere galakser, end der er levende mennesker på Jorden, og af bevægelser af utallige astrofysiske objekter. Brug af LSST-kameraet, Observatoriet vil skabe den største astronomiske film nogensinde og kaste lys over nogle af universets største mysterier, inklusive mørkt stof og mørk energi.

De første billeder taget med sensorerne var en test for kameraets fokusplan, hvis samling blev afsluttet på SLAC i januar.

"Dette er en kæmpe milepæl for os, " sagde Vincent Riot, LSST Kamera projektleder fra DOE's Lawrence Livermore National Laboratory. "Brændplanet vil producere billederne til LSST, så det er Rubin Observatoriets dygtige og følsomme øje."

SLACs Steven Kahn, direktør for observatoriet, sagde, "Denne præstation er blandt de mest betydningsfulde af hele Rubin Observatory-projektet. Færdiggørelsen af ​​LSST Camera-fokusplanet og dets vellykkede test er en enorm sejr for kamerateamet, som vil gøre Rubin Observatory i stand til at levere næste generation af astronomisk videnskab."

Et teknologisk vidunder for den bedste videnskab

På en måde, brændplanet ligner billedsensoren på et digitalt forbrugerkamera eller kameraet i en mobiltelefon:Det fanger lys, der udsendes fra eller reflekteres af et objekt og konverterer det til elektriske signaler, der bruges til at producere et digitalt billede. Men LSST Camera-fokusplanet er meget mere sofistikeret. Faktisk, den indeholder 189 individuelle sensorer, eller ladningskoblede enheder (CCD'er), som hver bringer 16 megapixel til bordet - omtrent det samme antal som billedsensorerne på de fleste moderne digitalkameraer.

Sæt med ni CCD'er og deres understøttende elektronik blev samlet i kvadratiske enheder, kaldet "videnskabsflåder, " på DOE's Brookhaven National Laboratory og sendt til SLAC. Der, kamerateamet indsatte 21 af dem, plus yderligere fire specialflåder, der ikke bruges til billeddannelse, ind i et gitter, der holder dem på plads.

Brændplanet har nogle helt ekstraordinære egenskaber. Ikke alene indeholder den hele 3,2 milliarder pixels, men dens pixels er også meget små - omkring 10 mikron brede - og selve brændplanet er ekstremt fladt, varierende med ikke mere end en tiendedel af bredden af ​​et menneskehår. Dette gør det muligt for kameraet at producere skarpe billeder i meget høj opløsning. Ved mere end 2 fod bred, brændplanet er enormt sammenlignet med den 1,4 tommer brede billedsensor i et fuldformat forbrugerkamera og stort nok til at fange en del af himlen på størrelse med 40 fuldmåner. Endelig, hele teleskopet er designet på en sådan måde, at billedsensorerne vil være i stand til at spotte objekter, der er 100 millioner gange svagere end dem, der er synlige for det blotte øje – en følsomhed, der ville lade dig se et stearinlys på tusindvis af kilometers afstand.

"Disse specifikationer er bare forbløffende, " sagde Steven Ritz, projektforsker for LSST-kameraet ved University of California, Santa Cruz. "Disse unikke funktioner vil aktivere Rubin Observatorys ambitiøse videnskabsprogram."

Over 10 år, kameraet vil indsamle billeder af omkring 20 milliarder galakser. "Disse data vil forbedre vores viden om, hvordan galakser har udviklet sig over tid og vil lade os teste vores modeller af mørkt stof og mørk energi dybere og mere præcist end nogensinde før, " sagde Ritz. "Observatoriet vil være et vidunderligt anlæg for en bred vifte af videnskab - fra detaljerede studier af vores solsystem til studier af fjerne objekter mod kanten af ​​det synlige univers."

En samlingsproces med høj indsats

Færdiggørelsen af ​​fokusflyet tidligere i år afsluttede seks nervepirrende måneder for SLAC-besætningen, der indsatte de 25 flåder i deres smalle spalter i gitteret. For at maksimere billedområdet, hullerne mellem sensorer på naboflåder er mindre end fem menneskehår brede. Da billedsensorerne let knækker, hvis de rører hinanden, dette gjorde hele operationen meget vanskelig.

Flåderne er også dyre - op til 3 millioner dollars stykket.

SLAC maskiningeniør Hannah Pollek, der arbejdede i frontlinjen af ​​sensorintegration, sagde, "Kombinationen af ​​høje indsatser og snævre tolerancer gjorde dette projekt meget udfordrende. Men med et alsidigt team klarede vi det stort set."

Teammedlemmerne brugte et år på at forberede flådeinstallationen ved at installere adskillige "øve"-flåder, der ikke gik ind i det endelige fokusplan. Det gjorde det muligt for dem at perfektionere proceduren med at trække hver af de 2 fod høje, 20-punds flåder ind i gitteret ved hjælp af en specialiseret portal udviklet af SLAC's Travis Lange, ledende maskiningeniør på flådeinstallationen.

Tim Bond, leder af LSST Camera Integration and Test team hos SLAC, sagde, "Størrelsen af ​​de enkelte kamerakomponenter er imponerende, og det samme er størrelserne på de hold, der arbejder på dem. Det krævede et velkoreograferet hold at færdiggøre samlingen af ​​fokalplanet, og absolut alle, der arbejdede på det, tog udfordringen op."

Tager man de første 3, 200 megapixel billeder

Brændplanet er blevet placeret inde i en kryostat, hvor sensorerne køles ned til minus 150 grader Fahrenheit, deres nødvendige driftstemperatur. Efter flere måneder uden adgang til laboratoriet på grund af coronavirus-pandemien, kamerateamet genoptog sit arbejde i maj med begrænset kapacitet og efter strenge krav til social distancering. Omfattende test er nu i gang for at sikre, at brændplanet opfylder de tekniske krav, der er nødvendige for at understøtte Rubin Observatorys videnskabsprogram.

Tager man de første 3, 200 megapixel billeder af en række objekter, inklusive en Romanesco, der blev valgt på grund af sin meget detaljerede overfladestruktur, var en af ​​disse tests. For at gøre det uden et fuldt samlet kamera, SLAC-teamet brugte et 150 mikron nålehul til at projicere billeder på brændplanet. Disse billeder, som kan udforskes i fuld opløsning online (links nederst i udgivelsen), Vis de ekstraordinære detaljer, der fanges af billedsensorerne.

"At tage disse billeder er en stor bedrift, " sagde SLACs Aaron Roodman, videnskabsmanden ansvarlig for montering og test af LSST-kameraet. "Med de stramme specifikationer skubbede vi virkelig grænserne for, hvad der er muligt for at udnytte hver kvadratmillimeter af brændplanet og maksimere den videnskab, vi kan gøre med det."

Kamerahold på hjemmebane

Mere udfordrende arbejde venter forude, efterhånden som teamet færdiggør kamerasamlingen.

I de næste par måneder, de vil indsætte kryostaten med brændplanet i kamerahuset og tilføje kameraets linser, inklusive verdens største optiske linse, en lukker og et filterudvekslingssystem til studier af nattehimlen i forskellige farver. I midten af ​​2021 kameraet i SUV-størrelse vil være klar til den endelige test, inden det begynder sin rejse til Chile.

"At nærme sig færdiggørelsen af ​​kameraet er meget spændende, og vi er stolte af at spille en så central rolle i opbygningen af ​​denne nøglekomponent i Rubin Observatory, " sagde JoAnne Hewett, SLAC's forskningschef og associeret laboratoriedirektør for fundamental fysik. "Det er en milepæl, der bringer os et stort skridt tættere på at udforske grundlæggende spørgsmål om universet på måder, vi ikke har været i stand til før."