Efter 16 år av dedikerad planering och ingenjörskonst, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har färdigställt en 3,2 gigapixel sensoruppsättning för kameran som kommer att användas i Large Synoptic Survey Telescope (LSST), ett massivt teleskop som kommer att observera universum som aldrig förr.

"Detta är den största laddningskopplade enheten (CCD) array som någonsin har byggts, sa Paul O'Connor, senior forskare vid Brookhaven Labs instrumenteringsavdelning. "Det är tre miljarder pixlar. Inget teleskop har någonsin placerat så många sensorer i en kamera."

Den digitala sensoruppsättningen består av cirka 200 16-megapixelsensorer, uppdelad i 21 moduler som kallas "flottar". Varje flotte kan fungera på egen hand, men när de kombineras, de kommer att se ett område av himlen som kan passa mer än 40 fullmånar i en enda bild. Forskare kommer att sy ihop dessa bilder för att skapa en time-lapse-film av hela det synliga universum som är tillgängligt från Chile.

För närvarande under uppbyggnad på en bergstopp i Chile, LSST är designat för att fånga de mest kompletta bilderna av vårt universum som någonsin har uppnåtts. Projektet att bygga teleskopanläggningen och kameran är ett samarbete mellan mer än 30 institutioner från hela världen, och det finansieras främst av DOE:s Office of Science och National Science Foundation. DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory leder det övergripande arbetet med att konstruera kameran – världens största kamera för astronomi – medan Brookhaven ledde designen, konstruktion, och kvalificering av den digitala sensormatrisen - den "digitala filmen" för kameran.

"Det är hjärtat i kameran, sa Bill Wahl, science flotte subsystem manager för LSST-projektet vid Brookhaven Lab. "Det vi har gjort här på Brookhaven representerar år av fantastiskt arbete av många begåvade vetenskapsmän, ingenjörer, och tekniker. Deras arbete kommer att leda till en samling bilder som aldrig tidigare setts av någon. Det är en spännande tid för projektet och för labbet."

Brookhaven började sitt LSST forsknings- och utvecklingsprogram 2003, med konstruktionen av den digitala sensormatrisen med start 2014. Under tiden fram till bygget, Brookhaven designade och tillverkade monterings- och testutrustningen för vetenskapsflotterna som används både vid Brookhaven och SLAC. Laboratoriet skapade också en hel automatiserad produktionsanläggning och renrum, tillsammans med produktions- och spårningsprogram.

"Vi såg till att automatisera så mycket av produktionsanläggningen som möjligt, ", sa O'Connor. "Att testa en enda flotte kan ta upp till tre dagar. Vi arbetade med ett tight schema, så vi hade vår automatiserade anläggning igång 24/7. Självklart, av en oro för säkerheten, vi hade alltid någon som övervakade anläggningen under dagen och natten."

Konstruera den komplexa sensoruppsättningen, som arbetar i vakuum och måste kylas till -100° Celsius, är en utmaning i sig. Men Brookhaven-teamet fick också i uppdrag att testa varje färdigmonterad flotte, samt individuella sensorer och elektronik. När varje flotte var färdig, den behövde vara noggrant förpackad i en skyddande miljö för att säkert kunna transporteras över hela landet till SLAC.

LSST-teamet vid Brookhaven färdigställde den första flotten 2017. Men strax efter, de ställdes inför en ny utmaning.

"Vi upptäckte senare att designegenskaper oavsiktligt ledde till möjligheten att elektriska ledningar i flottarna kunde kortslutas, ", sa O'Connor. "Hastigheten med vilken denna effekt påverkade flottarna var bara i storleksordningen 0,2 %, men för att undvika alla möjligheter till försämring, vi gick igenom besväret att montera om nästan varje flotte."

Nu, bara två år efter starten av flottproduktionen, teamet har framgångsrikt byggt och skickat den sista flotten till SLAC för integration i kameran. Detta markerar slutet på ett 16-årigt projekt i Brookhaven, som kommer att följas av många års astronomiska observationer.

Många av de begåvade teammedlemmarna som rekryterades till Brookhaven för LSST-projektet var unga ingenjörer och tekniker som anställdes direkt efter forskarskolan. Nu, de har alla blivit tilldelade pågående fysikprojekt på labbet, som att uppgradera PHENIX-detektorn vid Relativistic Heavy Ion Collider—en DOE Office of Science User Facility för kärnfysikforskning—till sPHENIX, samt pågående arbete med ATLAS-detektorn vid CERNs Large Hadron Collider. Brookhaven är USA:s värdlaboratorium för ATLAS-samarbetet

"Brookhavens roll i LSST-kameraprojektet gav nya och spännande möjligheter för ingenjörer, tekniker, och forskare inom elektrooptik, där mycket krävande specifikationer måste uppfyllas, ", sade Wahl. "Det mångdisciplinerade teamet vi sammanställde gjorde ett utmärkt jobb med att uppnå designmålen och jag är stolt över vår tid tillsammans. Att se yngre ingenjörer och forskare växa till mycket duktiga teammedlemmar var extremt givande."

Brookhaven Lab kommer att fortsätta att spela en stark roll i LSST framöver. När teleskopet genomgår sin idrifttagningsfas, Brookhaven-forskare kommer att fungera som experter på den digitala sensoruppsättningen i kameran. De kommer även att ge stöd under LSST:s verksamhet, som beräknas börja 2022.

"Idrifttagandet av en så komplex kamera kommer att bli en spännande och utmanande strävan, " sa Brookhaven-fysikern Andrei Nomerotski, som leder Brookhavens bidrag till idrifttagnings- och driftfasen av LSST-projektet. "Efter år av användning av artificiella signalkällor för sensorkarakterisering, vi ser fram emot att se riktiga stjärnor och galaxer i LSST CCD."

En gång i drift i Anderna, LSST kommer att tjäna nästan varje delmängd av astrofysikgemenskapen. Kanske viktigast av allt, LSST kommer att göra det möjligt för forskare att undersöka mörk energi och mörk materia - två pussel som har förbryllat fysiker i årtionden. Det uppskattas också att LSST kommer att hitta miljontals asteroider i vårt solsystem, förutom att erbjuda ny information om skapandet av vår galax. Bilderna som tagits av LSST kommer att göras tillgängliga för fysiker och astronomer i USA och Chile omedelbart, gör LSST till ett av de mest avancerade och tillgängliga kosmologiexperimenten som någonsin skapats. Över tid, uppgifterna kommer att göras tillgängliga för allmänheten över hela världen.