3,2 mlrd. pikselių LSST kamera: nakties dangaus kino įrašas

Įsivaizduokite kamerą, kuri naktinį dangų traktuoja lyg kino aikštelę. Tylą. Milžiniškumą. Nuolatinę veiklą. Sėdinčią aukštai Čilėje, Vera Rubin observatorijoje, LSST kamera daro būtent tai: kas kelias dešimtis sekundžių nuslenka per pietų pusrutulio dangų ir sujungia dešimtmečio trukmės kosminio pokyčio filmą.

Iš pirmo žvilgsnio ji neatrodo kaip mokslinės fantastikos įtaisas. Ji primena kompaktišką automobilį savo dydžiu, sveria apie 3060 kilogramų ir siekia maždaug 4,49 metro ilgį nuo galo iki galo, o aukštis apie 1,65 metro. Tačiau už šios didelės išorinės apvalkalos slepiasi jutiklių mozaika, neturinti sau lygių: 3,2 milijardo pikselių, sukomplektuotų iš 189 CCD jutiklių, sugrupuotų į 21 plokštelę, kurios kartu sudaro maždaug 63,5 centimetro skersmens apvalią vaizdavimo paviršių. Kiekvienas CCD turi 4096 x 4096 pikselių, o pikselių žingsnis yra apie 10 mikrometrų.

Kodėl tiek daug pikselių? Nes LSST kamera nesiekia užfiksuoti gražaus paveikslo. Ji siekia užfiksuoti judėjimą ir pokyčius didelėje dangaus srityje. Jos regėjimo laukas apima maždaug 9,6 kvadratinio laipsnio, tai maždaug 45 pilnų mėnulių plotas, todėl teleskopas gali greitai ir pakartotinai aprėpti pietų pusrutulį. 8,4 metro teleskopo veidrodis surenka blankią šviesą, trys masyvūs lęšiai koreguoja ir sufokusuoja tą šviesą (vienas lęšis viršija 1,5 metro skersmenį, anot pranešimų, tai didžiausias astrofizikoje pagamintas lęšis), o kamera jį registruoja bangų ruožuose nuo maždaug 320 iki 1050 nanometrų.

Spalvos šiame kontekste yra inžinerinis sprendimas. Šeši filtrai, pažymėti u, g, r, i, z ir y, atskiria ultravioletinę artimą iki artimos infraraudonos šviesos, kad astronomai galėtų išskirti temperatūrą, sudėtį ir subtilius ryškumo pokyčius. Filtrų mechanizmas yra sukamame korpuse ir gali pakeisti filtrus per mažiau nei dvi minutes, kai reikia, užtikrindamas efektyvias stebėjimo sesijas neaukojant vaizdo kokybės.

Pirminė raiška yra tik dalis istorijos. Elektronika gamina šilumą ir elektroninį triukšmą, kuris išplautų silpnus signalus. Tam kovai visa fokalinė plokštė yra įrengta vakuuminiame kriostate ir atšaldoma iki maždaug minus 100 laipsnių Celsijaus. Šaltis palaiko žemus jutiklių triukšmo lygius ir sumažina „karštų" ar peraktyvių pikselių skaičių, išsaugodamas kameros išskirtinį jautrumą.

Greitis svarbus tiek pat, kiek ir jautrumas. Observatorija gali užfiksuoti naują lauką maždaug kas 40 sekundžių. Duomenų srautas milžiniškas, todėl vaizdai nelaikomi viename diske; jie perduodami apdorojimo centrams SLAC tą pačią naktį. Automatizuoti apdorojimo tinklai palygina kiekvieną naują ekspoziciją su ankstesniais to paties dangaus ploto vaizdais, žymėdami judančius ir kintančius objektus: asteroidus, supernovas, kintančias žvaigždes ir kitus trumpalaikius reiškinius. Iš esmės astronomai gauna įspėjimus ir matavimus apie įvykius, vykstančius realiu laiku.

Sujunkite 8,4 metro veidrodį, 9,6 kvadratinio laipsnio regėjimo lauką, šešias fotometrines juostas, 189 aukštos kokybės CCD ir tą spartų ritmą, ir gausite naują kokybės lygį: plataus lauko, laiko domeno apžvalgą, kuri ne tik vieną kartą žemėlapiuoja dangų, bet ir nuolat jį stebi. Per planuojamą dešimties metų tyrimą LSST kamera sukurs precedento neturintį, kadrų po kadro kroniką pietų dangaus filmuose, kuriuos mokslininkai analizuos nuo Žemės artimų objektų iki tolimų supernovų blankių blyksčių.

Kameros galia nėra vien tik pikselių skaičius. Tai masto, greičio ir jautrumo derinys, kuris paverčia statiškus vaizdus judesiu, atskleidžiant, kaip kosmosas vystosi, po vieną 40 sekundžių kadrą.