Besättningar vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har tagit de första 3, Digitala bilder på 200 megapixlar – de största som någonsin tagits i en enda bild – med en utomordentlig uppsättning bildsensorer som kommer att bli hjärtat och själen i Vera C. Rubin Observatorys framtida kamera.

Bilderna är så stora att det skulle ta 378 4K ultrahögupplösta TV-skärmar för att visa en av dem i full storlek, och deras upplösning är så hög att du kan se en golfboll på cirka 15 mils avstånd. Dessa och andra egenskaper kommer snart att driva oöverträffad astrofysisk forskning.

Nästa, sensormatrisen kommer att integreras i världens största digitalkamera, för närvarande under uppbyggnad på SLAC. En gång installerad vid Rubin Observatory i Chile, kameran kommer att producera panoramabilder av hela södra himlen – ett panorama med några nätter i 10 år. Dess data kommer att matas in i Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) – en katalog över fler galaxer än det finns levande människor på jorden och över rörelserna hos otaliga astrofysiska objekt. Använda LSST-kameran, observatoriet kommer att skapa den största astronomiska filmen genom tiderna och kasta ljus över några av universums största mysterier, inklusive mörk materia och mörk energi.

De första bilderna som togs med sensorerna var ett test för kamerans fokalplan, vars montering slutfördes på SLAC i januari.

"Detta är en stor milstolpe för oss, sa Vincent Riot, LSST Kameraprojektledare från DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory. "Fokalplanet kommer att producera bilderna för LSST, så det är det kapabla och känsliga ögat i Rubin Observatory."

SLAC:s Steven Kahn, direktör för observatoriet, sa, "Denna prestation är bland de mest betydelsefulla av hela Rubin Observatory Project. Slutförandet av LSST Camera fokalplan och dess framgångsrika tester är en enorm seger för kamerateamet som kommer att göra det möjligt för Rubin Observatory att leverera nästa generations astronomisk vetenskap."

Ett tekniskt under för den bästa vetenskapen

På ett sätt, fokalplanet liknar bildsensorn i en digital konsumentkamera eller kameran i en mobiltelefon:Det fångar ljus som sänds ut från eller reflekteras av ett föremål och omvandlar det till elektriska signaler som används för att producera en digital bild. Men LSST Camera-fokusplanet är mycket mer sofistikerat. Faktiskt, den innehåller 189 individuella sensorer, eller laddningskopplade enheter (CCD), som var och en ger 16 megapixlar till bordet – ungefär samma antal som bildsensorerna i de flesta moderna digitalkameror.

Uppsättningar med nio CCD:er och deras stödjande elektronik sattes samman till kvadratiska enheter, kallade "vetenskapsflottar, " vid DOE:s Brookhaven National Laboratory och skickas till SLAC. Där, kamerateamet infogade 21 av dem, plus ytterligare fyra specialflottar som inte används för bildbehandling, i ett rutnät som håller dem på plats.

Fokalplanet har några alldeles extraordinära egenskaper. Den innehåller inte bara hela 3,2 miljarder pixlar, men dess pixlar är också mycket små – cirka 10 mikron breda – och själva fokalplanet är extremt platt, varierar med högst en tiondel av bredden på ett människohår. Detta gör att kameran kan producera skarpa bilder i mycket hög upplösning. Vid mer än 2 fot bred, fokalplanet är enormt jämfört med den 1,4-tums breda bildsensorn i en fullformatskonsumentkamera och tillräckligt stor för att fånga en del av himlen ungefär lika stor som 40 fullmånar. Till sist, Hela teleskopet är utformat på ett sådant sätt att bildsensorerna kommer att kunna upptäcka föremål som är 100 miljoner gånger mörkare än de som är synliga för blotta ögat – en känslighet som låter dig se ett ljus på tusentals kilometers avstånd.

"Dessa specifikationer är bara häpnadsväckande, sa Steven Ritz, projektforskare för LSST Camera vid University of California, Santa Cruz. "Dessa unika egenskaper kommer att möjliggöra Rubin Observatorys ambitiösa vetenskapsprogram."

Över 10 år, kameran kommer att samla in bilder av cirka 20 miljarder galaxer. "Dessa data kommer att förbättra vår kunskap om hur galaxer har utvecklats över tiden och kommer att låta oss testa våra modeller av mörk materia och mörk energi djupare och mer exakt än någonsin, " Sa Ritz. "Observatoriet kommer att vara en underbar anläggning för ett brett spektrum av vetenskap - från detaljerade studier av vårt solsystem till studier av avlägsna objekt mot kanten av det synliga universum."

En höginsats monteringsprocess

Färdigställandet av fokalplanet tidigare i år avslutade sex nervkittlande månader för SLAC-besättningen som förde in de 25 flottarna i sina smala slitsar i nätet. För att maximera bildområdet, mellanrummen mellan sensorer på intilliggande flottar är mindre än fem människohår breda. Eftersom bildsensorerna lätt spricker om de rör vid varandra, detta gjorde hela operationen mycket knepig.

Flottarna är också dyra — upp till 3 miljoner dollar styck.

SLAC mekaniska ingenjör Hannah Pollek, som arbetade i frontlinjen av sensorintegration, sa, "Kombinationen av höga insatser och snäva toleranser gjorde det här projektet mycket utmanande. Men med ett mångsidigt team lyckades vi ganska mycket."

Teammedlemmarna tillbringade ett år med att förbereda flottinstallationen genom att installera många "övnings"-flottar som inte gick in i det slutliga fokalplanet. Det gjorde att de kunde perfekta proceduren att dra var och en av de 2 fot höga, 20-pundsflottar in i nätet med hjälp av en specialiserad portal utvecklad av SLAC:s Travis Lange, ledande maskiningenjör på flottinstallationen.

Tim Bond, chef för LSST Camera Integration and Test Team på SLAC, sa, "Den stora storleken på de enskilda kamerakomponenterna är imponerande, och så är storleken på de team som arbetar med dem. Det krävdes ett välkoreograferat team för att slutföra monteringen av fokalplanet, och absolut alla som arbetade med det tog sig an utmaningen."

Tar de första 3, 200 megapixel bilder

Fokalplanet har placerats inuti en kryostat, där sensorerna kyls ner till minus 150 grader Fahrenheit, deras önskade driftstemperatur. Efter flera månader utan tillgång till labb på grund av coronavirus-pandemin, kamerateamet återupptog sitt arbete i maj med begränsad kapacitet och efter strikta krav på social distans. Omfattande tester pågår nu för att säkerställa att fokalplanet uppfyller de tekniska krav som behövs för att stödja Rubin Observatorys vetenskapsprogram.

Tar de första 3, 200 megapixel bilder av en mängd olika objekt, inklusive en Romanesco som valdes för sin mycket detaljerade ytstruktur, var ett av dessa tester. För att göra det utan en helt monterad kamera, SLAC-teamet använde ett 150 mikron nålhål för att projicera bilder på fokalplanet. Dessa bilder, som kan utforskas i full upplösning online (länkar längst ner i releasen), visa de extraordinära detaljer som fångas av bildsensorerna.

"Att ta dessa bilder är en stor bedrift, " sa SLAC:s Aaron Roodman, vetenskapsmannen som ansvarar för montering och testning av LSST-kameran. "Med de snäva specifikationerna tänjde vi verkligen på gränserna för vad som är möjligt för att dra fördel av varje kvadratmillimeter av fokalplanet och maximera vetenskapen vi kan göra med det."

Kamerateam på hemmaplan

Mer utmanande arbete väntar när teamet slutför kameramonteringen.

Under de närmaste månaderna, de kommer att sätta in kryostaten med fokalplanet i kamerahuset och lägga till kamerans linser, inklusive världens största optiska lins, en slutare och ett filterbytessystem för studier av natthimlen i olika färger. I mitten av 2021, kameran i SUV-storlek kommer att vara redo för sluttest innan den börjar sin resa till Chile.

"Att närma sig färdigställandet av kameran är väldigt spännande, och vi är stolta över att spela en så central roll i att bygga denna nyckelkomponent i Rubin Observatory, " sa JoAnne Hewett, SLAC:s forskningschef och biträdande labbchef för grundläggande fysik. "Det är en milstolpe som tar oss ett stort steg närmare att utforska grundläggande frågor om universum på sätt som vi inte har kunnat tidigare."