Найбільша у світі цифрова камера, яка знімає 3.2-гігапіксельні зображення, досліджуватиме космічні таємниці

Екіпажі Національної лабораторії прискорювачів SLAC (Чілі) зробили перші 3200-мегапіксельні зображення з повною фокальною площиною камери LSST, майбутнього “ока” обсерваторії Віри К. Рубін. Сьогодні це — найбільші цифрові зображення, зроблені одним кадром. Одним із перших сфотографованих об’єктів стала… голівка римської капустини «романеско», яку обрали через дивовижну фактуру.

Камера буде досліджувати космічні таємниці в рамках обстеження Рубінської обсерваторії простору та часу

Екіпажі Національної лабораторії прискорювачів SLAC Департаменту енергетики зробили перші 3200-мегапіксельні цифрові фотографії – найбільші з усіх коли-небудь зроблених за один знімок – з надзвичайним набором датчиків зображення, які стануть серцем і душею майбутньої камери Vera C Обсерваторія Рубіна.

Зображення настільки великі, що для відображення одного з них у повному розмірі знадобиться 378 телевізорів ультрависокої роздільної здатності 4K, а їх роздільна здатність настільки висока, що людина зможе побачити м’яч для гольфу на відстані приблизно 25 миль. Ці та інші властивості скоро сприятимуть безпрецедентним астрофізичним дослідженням.

Повна фокальна площина майбутньої камери LSST має ширину більше 2 футів і містить 189 індивідуальних датчиків, які формуватимуть 3200-мегапіксельні зображення. Екіпажі SLAC зараз зробили перші знімки.

Найближчим часом масив датчиків планується інтегрувати у найбільшу у світі цифрову камеру, яка зараз будується в SLAC. Після встановлення в обсерваторії Рубіна в Чилі камера буде створювати панорамні зображення повного південного неба — по одній панорамі кожні кілька ночей протягом 10 років.

Її дані потраплятимуть у Спадкове обстеження простору та часу обсерваторії Рубіна (LSST) — каталог, який містить більше галактик та астрофізичних об’єктів, ніж є людей на Землі. За допомогою камери LSST обсерваторія створить найбільший астрономічний фільм усіх часів і проллє світло на деякі найбільші таємниці Всесвіту, включаючи темну матерію та темну енергію. Перші знімки, зроблені за допомогою датчиків, були тестом для фокальної площини камери, збірка якої була завершена в січні в SLAC.

«Для нас це величезна віха», сказав Вінсент Ріот, керівник проекту LSST Camera з Національної лабораторії Лоуренса Лівермора DOE. «Фокальна площина буде створювати зображення для LSST, тому це здатне і чутливе око обсерваторії Рубіна».

Стівен Кан, директор обсерваторії SLAC, додає: «Це досягнення є одним з найбільш значущих у всьому проекті обсерваторії Рубін. Завершення фокусної площини камери LSST та його успішні випробування це величезна перемога команди камер, яка дозволить обсерваторії Рубіна здійснити астрономічну науку наступного покоління».

Технологічне диво для розвитку науки

Фокальна площина схожа на датчик зображення звичайної цифрової камери у фотоапараті або у стільниковому телефоні. Вона фіксує світло, що випромінюється або відбивається від об’єкта, і перетворює його на електричні сигнали. Останні використовуються для створення цифрового зображення. Але фокусна площина камери LSST набагато складніша. Насправді він містить 189 окремих датчиків або пристроїв із зарядкою (ПЗЗ).

Індивідуальні датчики зображення та допоміжна електроніка фокальної площини камери LSST упаковані в блоки, які називаються «плотами». Існує два різних типи одиниць: 21 квадратний плот (в центрі), кожен з яких містить дев’ять датчиків, створить зображення для наукової програми обсерваторії Рубіна. Додаткові чотири спеціальні плоти (ліворуч) із лише трьома датчиками будуть використовуватися для фокусування камери та синхронізації телескопа з обертанням Землі.

Фокальна площина має кілька справді надзвичайних властивостей. Він не тільки містить колосальні 3,2 мільярда пікселів, але і його пікселі також дуже малі — близько 10 мкм в ширину — і сама фокальна площина надзвичайно рівна, коливається не більше ніж на десяту частину ширини людського волосся. Це дозволяє камері створювати чіткі зображення з дуже високою роздільною здатністю. Шириною більше 2 футів фокусна площина величезна порівняно з 1,4-дюймовим датчиком зображення повнокадрової споживчої камери і досить великою, щоб захопити частину неба розміром близько 40 повних місяців. Нарешті, весь телескоп спроектований таким чином, що датчики зображення зможуть помітити предмети в 100 мільйонів разів затемненіші, ніж видимі неозброєним оком — чутливість, яка дозволить побачити свічку за тисячі кілометрів.

Фокальна площина камери LSST має площу поверхні, достатньо велику, щоб захопити частину неба розміром близько 40 повних місяців. Її роздільна здатність настільки висока, що дозволяє помітити м’яч для гольфу на відстані 25 миль.

“Ці характеристики просто вражають”, сказав Стівен Рітц, науковий співробітник проекту LSST Camera в Університеті Каліфорнії в Санта-Крус. “Ці унікальні особливості дадуть змогу амбіційній науковій програмі обсерваторії Рубіна”.

Протягом 10 років камера збиратиме зображення близько 20 мільярдів галактик. “Ці дані покращать наші знання про те, як галактики еволюціонували з часом, і дозволять нам перевірити наші моделі темної матерії та темної енергії глибше і точніше, ніж будь-коли”, сказав Ріц. “Обсерваторія стане чудовим об’єктом для широкого кола наук – від детальних досліджень нашої Сонячної системи до досліджень віддалених об’єктів до краю видимого Всесвіту”.

Процес складання зображення

Завершення фокальної площини на початку цього року завершило шість місяців напруженої праці екіпажу SLAC. За цей час він вставив 25 плотів у свої вузькі прорізи в сітці. Щоб максимізувати область зображення, зазори між датчиками на сусідніх плотах мають ширину менше п’яти людських волосків. Оскільки датчики зображення легко тріскаються, якщо вони торкаються один одного. Ця обставина зробила всю операцію дуже складною.

Плоти також дорогі — до 3 мільйонів доларів за штуку. Інженер-механік SLAC Ханна Поллек, яка працювала на передовій інтеграції датчиків, сказала: «Поєднання високих ставок і жорстких допусків зробило цей проект дуже складним. Але завдяки багатофункціональній команді ми це подолали“.

<iframe width=”777″ height=”437″ src=”https://www.youtube.com/embed/Tb7nfJrNnKQ” frameborder=”0″ allow=”accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture” allowfullscreen></iframe>

Вставлення плотів у фокальну площину камери LSST було операцією з високими ставками, яка зайняла близько півроку.

Вставлення плотів у фокальну площину камери LSST було операцією з високими ставками, яка зайняла близько півроку.

Члени команди протягом року готувались до встановлення плоту, встановивши численні “практичні” плоти, які не потрапляли в остаточну фокусну площину. Це дозволило їм вдосконалити процедуру витягування кожного з 2-футових 20-фунтових плотів у сітку за допомогою спеціалізованої козлової двері, розробленої Тревісом Ланге, провідним інженером-механіком SLAC на установці плоту.

Тім Бонд, керівник групи інтеграції та тестування камер LSST у SLAC, сказав: «Сам розмір окремих компонентів камери вражає, як і розміри команд, які працюють над ними. Щоб виконати збірку фокальної площини, потрібна була добре складена команда, і абсолютно всі, хто працював над нею, вирішили проблему».

Встановлення RTM 21 з 21, щоб заповнити масив ПЗЗ-матриць 3.2GP. Кредит: Жаклін Оррелл / Національна лабораторія прискорювачів SLAC

Зйомка перших 3200-мегапіксельних зображень

Фокальна площина розміщена всередині кріостата, де датчики охолоджуються до від’ємних 150 градусів за Фаренгейтом , необхідної робочої температури. Після кількох місяців відсутності доступу до лабораторії через пандемію коронавірусу, команда камери відновила свою роботу в травні з обмеженими можливостями та дотримуючись суворих вимог щодо соціального дистанціювання. Зараз проводяться великі випробування, щоб переконатися, що фокальна площина відповідає технічним вимогам, необхідним для підтримки наукової програми обсерваторії Рубіна.

Зйомка перших 3200-мегапіксельних зображень стала важливим першим тестом для фокальної площини. Щоб зробити це без повністю зібраної камери, команда SLAC використовувала 150-мікронний отвір для проектування зображень на фокальну площину. Зліва: Схема проектору-обскури, який проектує зображення детальної текстури Романеско на фокальну площину. Справа: Юсуке Уцумі та Аарон Рудман з SLAC виймають проектор-отвір з кріостата після проектування перших зображень на фокальну площину.

Одним із таких випробувань було отримання перших 3200-мегапіксельних зображень різноманітних об’єктів, включаючи голову Романеско – різновид брокколі, – яку обрали за дуже детальну структуру поверхні. Щоб зробити це без повністю зібраної камери, команда SLAC використала 150-мікронний отвір для проектування зображень на фокальну площину. Ці фотографії, які можна вивчити з повною роздільною здатністю в Інтернеті (посилання внизу випуску), демонструють надзвичайні деталі, зафіксовані датчиками зображення.

“Зйомка цих знімків є головним досягненням”, сказав Аарон Рудман, вчений, відповідальний за збірку та тестування камери LSST. “Завдяки жорстким специфікаціям ми дійсно розширили межі можливого, щоб скористатися кожним квадратним міліметром фокальної площини та максимізувати науку, яку ми можемо з нею робити”.

Операторська команда на домашній ділянці

Попереду ще більш складна робота, коли команда завершує збірку камери.

У найближчі кілька місяців вони вставлять кріостат з фокальною площиною в корпус камери і додадуть лінзи камери, включаючи найбільшу в світі оптичну лінзу, затвор і систему обміну фільтрів для вивчення нічного неба в різних кольорах. До середини 2021 року камера розміром з позашляховик буде готова до остаточного тестування до початку подорожі до Чилі.

«Наближення до завершення роботи камери дуже захоплююче, і ми пишаємося тим, що відіграємо таку центральну роль у створенні цього ключового компонента обсерваторії Рубіна”, сказала ДжоАнне Хьюетт, головний науковий співробітник SLAC і заступник директора лабораторії з фундаментальної фізики. «Це — важливий етап, який наближає нас до великого кроку до вивчення фундаментальних питань про Всесвіт так, як ми раніше не могли».

Складено за матеріалами статті “World’s Largest Digital Camera Snaps First 3,200-Megapixel Images – Will Explore Cosmic Mysteries(джерело https://scitechdaily.com/worlds-largest-digital-camera-snaps-first-3200-megapixel-images-will-explore-cosmic-mysteries/)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *