לאחר 20 שנה, סוף סוף הושלמה בניית המצלמה הדיגיטלית הגדולה ביותר באסטרונומיה

לאחר התקנת טלסקופ בצ'ילה, מצלמת LSST 3,200 מגה-פיקסל תעזור למדענים להבין טוב יותר את החומר האפל, האנרגיה האפלה ותעלומות אחרות של היקום שלנו.

לאחר שני עשורים של עבודה, מדענים ומהנדסים במעבדת האצה הלאומית של משרד האנרגיה SLAC ומשתפי הפעולה שלהם חוגגים את השלמת המצלמה המורשת של סקר חלל וזמן (LSST).

בתור לב ליבו של מצפה הכוכבים Vera C. Rubin במימון DOE וה-National Science Foundation, מצלמת 3,200 מגה-פיקסל תעזור לחוקרים לצפות ביקום שלנו בפירוט חסר תקדים. במשך עשר שנים, היא תייצר מאגר עצום של נתונים על שמי הלילה הדרומיים שחוקרים יכרות כדי לקבל תובנות חדשות על היקום. הנתונים הללו יסייעו במסע להבין את האנרגיה האפלה, שמניעה את ההתפשטות המואצת של היקום, ואת המצוד אחר החומר האפל, החומר המסתורי שמהווה כ-85% מהחומר ביקום. לחוקרים יש גם תוכניות להשתמש בנתוני רובין כדי להבין טוב יותר את שמי הלילה המשתנים, את גלקסיית שביל החלב ואת מערכת השמש שלנו.

"עם השלמת מצלמת ה-LSST הייחודית ב-SLAC והשילוב הקרוב שלה עם שאר מערכות מצפה הכוכבים רובין בצ'ילה, נתחיל בקרוב להפיק את הסרט הגדול ביותר בכל הזמנים ואת המפה האינפורמטיבית ביותר של שמי הלילה שהורכבה אי פעם", אמר. מנהל בניית מצפה הכוכבים רובין ו אוניברסיטת וושינגטון פרופסור ז'ליקו איביץ'.

כדי להשיג מטרה זו, צוות SLAC ושותפיו בנו את המצלמה הדיגיטלית הגדולה ביותר שנבנתה אי פעם לאסטרונומיה. המצלמה היא בערך בגודל של מכונית קטנה ומשקלה בסביבות 3,000 קילוגרם (3 טון מטרי), והעדשה הקדמית שלה היא בקוטר של יותר מחמישה מטרים – העדשה הגדולה ביותר שיוצרה אי פעם למטרה זו. עדשה נוספת ברוחב שלושה מטרים הייתה צריכה להיות מתוכננת במיוחד כדי לשמור על צורה ובהירות אופטית תוך איטום תא הוואקום שמכיל את מישור המוקד העצום של המצלמה. מישור המוקד הזה מורכב מ-201 חיישני CCD בודדים בעיצוב אישי, והוא כל כך שטוח עד שהוא משתנה בלא יותר מעשירית מרוחב שערה אנושית. הפיקסלים עצמם הם ברוחב של 10 מיקרון בלבד.

נבנתה במעבדת האצה הלאומית של SLAC, מצלמת LSST היא המצלמה הדיגיטלית הגדולה ביותר שנבנתה אי פעם לאסטרונומיה. המצלמה נמצאת בלב סקר החלל והזמן (LSST) שנמשך 10 שנים של מצפה ורה סי רובין, אשר יתפוס את כל שמי הדרום כל 3 לילות. נתונים מהמצלמה יסייעו במתן מענה לכמה מהשאלות הדחופות ביותר בקוסמולוגיה, כמו טבע האנרגיה האפלה והחומר האפל, כמו גם לקדם את חקר מערכת השמש שלנו ושמי הלילה המשתנים. קרדיט: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

ובכל זאת, התכונה החשובה ביותר של המצלמה היא הרזולוציה שלה, שהיא כל כך גבוהה שידרשו מאות טלוויזיות אולטרה-HD כדי להציג רק אחת מהתמונות שלה בגודל מלא, אמר פרופסור SLAC וסגן מנהל מצפה רובין וראש תוכנית המצלמה אהרון רודמן. "התמונות שלו כל כך מפורטות עד שהוא יכול לפתור כדור גולף ממרחק של כ-15 מיילים, תוך שהוא מכסה רצועת שמים רחבה פי שבעה מהירח המלא. תמונות אלה עם מיליארדי כוכבים וגלקסיות יעזרו לפתוח את סודות היקום".

והסודות האלה יותר ויותר חשובים לחשוף, אמרה קתי טרנר, מנהלת התוכנית של תוכנית החזית הקוסמית של DOE. "יותר מאי פעם, הרחבת ההבנה שלנו בפיזיקה הבסיסית דורשת הסתכלות רחוק יותר אל היקום", אמר טרנר. "עם מצלמת LSST בליבה, מצפה הכוכבים רובין יעמיק מאי פעם בקוסמוס ויעזור לענות על כמה מהשאלות הקשות והחשובות ביותר בפיזיקה כיום."

חיפוש אחר חומר אפל ואנרגיה אפלה

כעת, לאחר שמצלמת ה-LSST הושלמה ונבדקה ביסודיות ב-SLAC, היא תיארז ותשלח לצ'ילה ותיסע במעלה ה-Cerro Pachón בגובה 8,900 רגל בהרי האנדים, שם היא תועלה על גבי טלסקופ הסקר Simonyi מאוחר יותר. השנה.

ברגע שהיא פועלת, המטרה העיקרית של המצלמה היא למפות את המיקומים ולמדוד את הבהירות של מספר עצום של עצמים בשמי לילה. מהקטלוג הזה, חוקרים יכולים להסיק מידע רב. אולי בעיקר, מצלמת LSST תחפש סימנים של עדשת כבידה חלשה, שבה גלקסיות מסיביות מכופפות בעדינות את הנתיבים שעוברים האור מגלקסיות הרקע כדי להגיע אלינו. עדשה חלשה חושפת משהו על התפלגות המסה ביקום וכיצד זה השתנה עם הזמן, מה שיעזור לקוסמולוגים להבין כיצד אנרגיה אפלה מניעה את התפשטות היקום.

המצפה הוא הראשון שנבנה לחקר עדשות חלשות בקנה מידה זה, והפרויקט הוביל מדענים ומהנדסים לפתח מספר טכנולוגיות חדשות, כולל סוגים חדשים של חיישני CCD וכמה מהעדשות הגדולות ביותר שנוצרו אי פעם – ולוודא שכל אלה הרכיבים עבדו היטב ביחד, אמר מרטין נורדבי, מהנדס צוות בכיר ב-SLAC ומנהל פרויקט המצלמה של LSST.

מדענים רוצים גם לחקור דפוסים בהפצה של גלקסיות וכיצד אלה השתנו עם הזמן, לזהות צבירי חומר אפל ולזהות סופרנובות, כל אלו יכולים לסייע בהבנה נוספת של החומר האפל והאנרגיה האפלה כאחד.

ריסה וכסלר, קוסמולוגית המנהלת את מכון קאולי לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה של חלקיקים ב-SLAC ובאוניברסיטת סטנפורד, אמרה שזה היה רגע יוצא דופן. "יש כל כך הרבה מדענים כאן ב-SLAC וברחבי העולם שימצאו משהו בעל ערך בנתונים שהמצלמה הזו תייצר", אמר וכסלר. "זו תקופה מרגשת ללמוד קוסמולוגיה."

מה עוד עושים עם מצלמה כל כך גדולה?

אותן תמונות שחושפות פרטים של גלקסיות רחוקות יעזרו לחוקרים לחקור משהו קרוב יותר לבית: שלנו שביל החלב גָלַקסִיָה. רבים מהכוכבים שלו קטנים וקלושים, אבל עם הרגישות של מצלמת ה-LSST, החוקרים מצפים לייצר מפה מפורטת הרבה יותר של הגלקסיה שלנו, שתניב תובנות לגבי המבנה וההתפתחות שלה, כמו גם את אופי הכוכבים והעצמים האחרים בתוכה.

אפילו קרוב יותר לבית, החוקרים מקווים ליצור מפקד הרבה יותר יסודי של העצמים הקטנים הרבים במערכת השמש שלנו. על פי הערכות מצפה הכוכבים רובין, הפרויקט עשוי להגדיל את מספר העצמים הידועים בפקטור של 10, מה שעשוי להוביל להבנה חדשה של איך נוצרה מערכת השמש שלנו ואולי לעזור לזהות איומים מאסטרואידים שמתקרבים קצת לכוכב הלכת. .

לבסוף, מדעני רובין יבחנו כיצד שמי הלילה משתנים – למשל, כיצד כוכבים מתים או כיצד חומר נופל לחורים שחורים סופר-מאסיביים במרכזי הגלקסיות.

מאמץ קבוצתי

מנהל SLAC, ג'ון סראו, אמר שהמצלמה היא "הישג אדיר" עבור המעבדה ושותפיה. "מצלמת LSST ומצפה רובין יפתחו חלונות חדשים ליקום שלנו, ויניבו תובנות עמוקות לגבי כמה מהתעלומות הגדולות ביותר שלו, תוך שהם חושפים פלאים קרובים יותר לבית", אמר סראו. "זה מרגש לראות את המומחיות המדעית והטכנית של SLAC, מנהיגות הפרויקט ושותפויות גלובליות חזקות מתאחדות בצורה כה משפיעה. אנחנו לא יכולים לחכות לראות מה הלאה".

בין המעבדות השותפות שתרמו מומחיות וטכנולוגיה ניתן למנות את Brookhaven National Laboratory, שבנתה את מערך החיישנים הדיגיטליים של המצלמה; Lawrence Livermore National Laboratory, אשר עם שותפיה התעשייתיים עיצבה ובנתה עדשות למצלמה; והמכון הלאומי לפיזיקה גרעינית וחלקיקים במרכז הלאומי למחקר מדעי (IN2P3/CNRS) בצרפת, שתרם לתכנון חיישנים ואלקטרוניקה ובנה את מערכת החלפת המסננים של המצלמה, שתאפשר למצלמה להתכנס בשישה נפרדות פסי אור מהאולטרה סגול לאינפרא אדום.

פול אוקונור, פיזיקאי בכיר בחטיבת המכשור של ברוקהייבן, אמר: "הצוות במעבדת ברוקהייבן, שחלקם עובדים על הפרויקט במשך יותר מ-20 שנה, נרגש לראות את השלמת מצלמת ה-LSST. מודולי ה-CCD המהירים והרגישים במיוחד שלנו, שפיתחנו עם מספר משתפי פעולה, יתרמו למדע פורץ הדרך שיימסר על ידי מצפה הכוכבים רובין במהלך העשור הבא, ואנו מצפים לשתף פעולה בסקר האסטרונומי המוביל הזה".

תכונה מרכזית של המכלולים האופטיים של המצלמה היא שלוש העדשות שלה, שאחת מהן בקוטר של 1.57 מטר (5.1 רגל) היא ככל הנראה העדשה האופטית בעלת הביצועים הגבוהים ביותר שיוצרה אי פעם. "המעבדה הלאומית של לורנס ליברמור גאה מאוד שהייתה לה את ההזדמנות לתכנן ולפקח על ייצור העדשות הגדולות והפילטרים האופטיים עבור מצלמת ה-LSST, כולל העדשה הגדולה בעולם", אמר וינסנט ריוט, מהנדס LLNL ו- לשעבר מנהל פרויקט מצלמה LSST. "LLNL הצליחה למנף את המומחיות שלה באופטיקה גדולה, שנבנתה במשך עשרות שנים של פיתוח מערכות הלייזר הגדולות בעולם, והיא נרגשת לראות את המכשיר חסר התקדים הזה הושלם ומוכן לעשות את מסעו למצפה רובין."

מדען המצלמה IN2P3/CNRS פייר אנטילוגוס אמר, "כדי ליצור סרט תלת מימד של היקום, המצלמה הייתה צריכה לצלם תמונה תוך כ-2 שניות ולהחליף מסננים תוך פחות מ-90 שניות. זה די הישג עבור מצלמה בגודל כזה. ואם גודל מישור המוקד של מצלמת LSST הוא ייחודי, צפיפות הטכנולוגיה בפנים מרשימה אפילו יותר. על ידי היותו אחראי על מערכת החלפת המסננים ותרומה למישור המוקד, הצוות שלנו שמח לקחת חלק בהרפתקה הקולקטיבית הזו לפיתוח מצלמה כה חזקה".

בניית המצלמה הייתה גם אתגר מתגמל עבור צוות SLAC שבנה אותה והוביל את הפרויקט, אמר טראוויס לאנג, סגן מנהל הפרויקט ומנהל שילוב המצלמות של המצלמה. "אני מאוד גאה במה שבנינו", אמר. "זה היה פרויקט כל כך ייחודי שחשף אותי לחוויות מדהימות – מי יכול היה לדמיין ששר החוץ ויו"ר הבית יערכו מסיבת עיתונאים מול החדר הנקי של המצלמה? זה יהיה מעשה שקשה לעקוב אחריו".