Efter två decennier av arbete firar forskare och ingenjörer vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och deras medarbetare slutförandet av Legacy Survey of Space and Time (LSST) Camera.
Som hjärtat av Vera C. Rubin-observatoriet kommer kameran på 3 200 megapixlar att hjälpa forskare att observera vårt universum i oöverträffad detalj. Under 10 år kommer det att generera en enorm mängd data om den södra natthimlen som forskare kommer att bryta efter nya insikter om universum.
Dessa data kommer att hjälpa till i strävan att förstå mörk energi, som driver den accelererande expansionen av universum, och jakten på mörk materia, den mystiska substansen som utgör cirka 85% av materien i universum. Forskare har också planer på att använda Rubin-data för att bättre förstå den föränderliga natthimlen, Vintergatans galax och vårt eget solsystem.
"Med slutförandet av den unika LSST-kameran på SLAC och dess nära förestående integration med resten av Rubin Observatory-systemen i Chile, kommer vi snart att börja producera den bästa filmen genom tiderna och den mest informativa kartan över natthimlen som någonsin har satts ihop", sa Direktör för Rubin Observatory Construction och University of Washington professor Željko Ivezić.
För att uppnå det målet byggde SLAC-teamet och dess partners den största digitalkameran som någonsin konstruerats för astronomi. Kameran är ungefär lika stor som en liten bil och väger cirka 3 000 kg (3 metriska ton), och dess främre lins är mer än 5 fot i diameter – det största objektivet som någonsin gjorts för detta ändamål.
En annan 3-fots bred lins var tvungen att specialdesignas för att bibehålla form och optisk klarhet samtidigt som den förseglade vakuumkammaren som inrymmer kamerans enorma fokalplan. Det här fokalplanet består av 201 individuella specialdesignade CCD-sensorer, och det är så platt att det inte varierar mer än en tiondel av bredden på ett människohår. Själva pixlarna är bara 10 mikron breda.
Ändå är kamerans viktigaste funktion dess upplösning, som är så hög att det skulle behövas hundratals ultrahögupplösta TV-apparater för att visa bara en av dess bilder i full storlek, säger SLAC-professorn och Rubin Observatorys vice direktör och kameraprogramledare Aaron Roodman.
"Dess bilder är så detaljerade att den skulle kunna lösa upp en golfboll på cirka 24 kilometers avstånd, samtidigt som den täcker ett stycke av himlen sju gånger bredare än fullmånen. Dessa bilder med miljarder stjärnor och galaxer kommer att hjälpa till att låsa upp universums hemligheter ."
Söker efter mörk materia och mörk energi
Nu när LSST-kameran är färdig och har testats noggrant hos SLAC, kommer den att packas ihop och skickas till Chile och köras upp på 8 900 fot höga Cerro Pachón i Anderna, där den kommer att hissas upp på Simonyi Survey Telescope senare detta år.
När den väl är igång är kamerans huvudsakliga syfte att kartlägga positionerna och mäta ljusstyrkan för ett stort antal natthimlens objekt. Från den katalogen kan forskare sluta sig till en mängd information.
Kanske mest anmärkningsvärt kommer LSST-kameran att leta efter tecken på svag gravitationslins, där massiva galaxer subtilt böjer de vägar som ljuset från bakgrundsgalaxer tar för att nå oss. Svag linsing avslöjar något om fördelningen av massa i universum och hur den har förändrats över tiden, vilket kommer att hjälpa kosmologer att förstå hur mörk energi driver universums expansion.
Observatoriet är det första som byggdes för att studera svaga linser i denna skala, och projektet ledde till att forskare och ingenjörer utvecklade ett antal nya teknologier, inklusive nya typer av CCD-sensorer och några av de största linserna som någonsin tillverkats – och se till att alla dessa komponenter fungerade bra tillsammans, sa Martin Nordby, senior personal ingenjör på SLAC och LSST kamera projektledare.
Forskare vill också studera mönster i utbredningen av galaxer och hur de har förändrats över tiden, identifiera kluster av mörk materia och upptäcka supernovor, som alla kan hjälpa till att ytterligare förstå både mörk materia och mörk energi.
Risa Wechsler, en kosmolog som leder Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology vid SLAC och Stanford University, sa att det var ett extraordinärt ögonblick. "Det finns så många forskare här på SLAC och runt om i världen som kommer att hitta något värdefullt i den data som denna kamera kommer att producera," sa Wechsler. "Det här är en spännande tid att studera kosmologi."
Vad gör du mer med en så stor kamera?
Samma bilder som avslöjar detaljer om avlägsna galaxer kommer att hjälpa forskare att studera något närmare hemmet:vår egen Vintergatans galax. Många av dess stjärnor är små och svaga, men med LSST-kamerans känslighet förväntar sig forskarna att producera en mycket mer detaljerad karta över vår galax, vilket ger insikter om dess struktur och utveckling samt karaktären hos stjärnor och andra objekt inom den.
Ännu närmare hemmet hoppas forskarna kunna skapa en mycket mer grundlig inventering av de många små föremålen i vårt solsystem. Enligt Rubin Observatorys uppskattningar kan projektet öka antalet kända objekt med en faktor 10, vilket kan leda till en ny förståelse för hur vårt solsystem bildades och kanske hjälpa till att identifiera hot från asteroider som kommer lite för nära planeten .
Slutligen kommer Rubin-forskare att titta på hur natthimlen förändras – till exempel hur stjärnor dör eller hur materia faller in i supermassiva svarta hål i galaxernas centrum.
SLAC-direktören John Sarrao sa att kameran är en "enorm prestation" för labbet och dess partners. "LSST-kameran och Rubin-observatoriet kommer att öppna nya fönster in i vårt universum, vilket ger djupa insikter i några av dess största mysterier samtidigt som de avslöjar underverk närmare hemmet", sa Sarrao. "Det är spännande att se SLAC:s vetenskapliga och tekniska expertis, projektledarskap och starka globala partnerskap mötas på ett så effektfullt sätt. Vi kan inte vänta med att se vad som händer härnäst."
Bland partnerlabben som bidragit med expertis och teknologi finns Brookhaven National Laboratory, som byggde kamerans digitala sensorarray; Lawrence Livermore National Laboratory, som tillsammans med sina industriella partners designade och byggde objektiv för kameran; och det nationella institutet för kärn- och partikelfysik vid National Centre for Scientific Research (IN2P3/CNRS) i Frankrike, som bidrog till sensor- och elektronikdesign och byggde kamerans filterbytessystem, vilket gör att kameran kan komma in på sex separata band av ljus från ultraviolett till infrarött.
Paul O'Connor, en senior fysiker vid Brookhavens Instrumentation Division, sa:"Teamet på Brookhaven Lab, av vilka några har arbetat med projektet i mer än 20 år, är glada över att se färdigställandet av LSST-kameran. Vår snabba , ultrakänsliga CCD-moduler, som vi utvecklat med flera samarbetspartners, kommer att bidra till den banbrytande vetenskapen som levereras av Rubin Observatory under det kommande decenniet, och vi ser fram emot att samarbeta med denna flaggskeppsastronomiska undersökning."
En nyckelfunktion i kamerans optiska enheter är dess tre linser, varav en med en diameter på 1,57 meter (5,1 fot) tros vara världens största högpresterande optiska lins som någonsin tillverkats. "Lawrence Livermore National Laboratory är extremt stolta över att ha haft möjligheten att designa och övervaka tillverkningen av de stora linserna och optiska filtren för LSST-kameran, inklusive den största linsen i världen", säger Vincent Riot, en LLNL-ingenjör och tidigare LSST Kamera projektledare.
"LLNL kunde dra nytta av sin expertis inom stor optik, byggd under decennier av utveckling av världens största lasersystem, och är glada över att se detta oöverträffade instrument färdigställt och redo att göra sin resa till Rubin Observatory."
IN2P3/CNRS-kameraforskaren Pierre Antilogus sa:"För att göra en 3D-film av universum var kameran tvungen att ta en bild på cirka 2 sekunder och byta filter på mindre än 90 sekunder. Detta är en bra prestation för en kamera av denna storlek Och om storleken på LSST-kamerans fokalplan är unik, är densiteten på tekniken inuti ännu mer imponerande. detta kollektiva äventyr att utveckla en så kraftfull kamera."
Att bygga kameran har också varit en givande utmaning för SLAC-teamet som byggde den och ledde projektet, säger Travis Lange, kamerans biträdande projektledare och kameraintegrationschef. "Jag är väldigt stolt över det vi har byggt", sa han. "Det här har varit ett så unikt projekt som har utsatt mig för otroliga upplevelser - vem kunde ha föreställt sig att utrikesministern och talmannen i huset skulle hålla en presskonferens framför kamerans renrum? Det kommer att bli en tuff handling för att följ."
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
