In einer alten Experimentierhalle, die früher für Experimente der Teilchenphysik genutzt wurde, überprüft ein Team französischer Ingenieure die Filter der größten jemals gebauten Digitalkamera. Es ist Oktober 2021 und ich sehe die Kamera während ihrer Montage im SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien. Wenn dieser hochauflösende Imager endlich zum Einsatz kommt, wird er uns atemberaubende Ansichten des tiefen Universums ermöglichen.
Das Instrument ist die Legacy Survey of Space and Time (LSST) Kamera. Die 3,2 Gigapixel (3,2 Milliarden Pixel) Kamera wird schließlich am Vera Rubin Observatorium auf einem chilenischen Berggipfel installiert, wo sie alle drei Tage die Hälfte des südlichen Himmels abbildet. Es wird Astronomen, Astrophysikern und Kosmologen etwa einmal pro Woche ein vollständiges Porträt dieser Himmelsregion liefern.
„Wir werden in einem Bereich am Himmel dunklere Objekte sehen, als die Menschen zuvor gesehen haben“, sagte der Astrophysiker Aaron Roodman, leitender Wissenschaftler für Kameramontage und -tests, gegenüber Gizmodo. „Menschen haben Dinge in der Tiefe getan, aber sie waren in winzigen Regionen des Himmels.“ Das neue Teleskop wird in der Lage sein, weit, weit in die Ferne – und damit in die Vergangenheit – über ein riesiges Gebiet zu blicken.
Komponenten der Kamera werden in einem Reinraum des SLAC National Accelerator Laboratory bearbeitet. (Foto: Isaac Schultz)
Die wöchentlichen Porträts bilden zusammen die Legacy Survey of Space and Time, eine 10-Jahres-Durchmusterung des südlichen Himmels, die Daten über die Formen, Orte und Farben von Objekten im Weltraum sammelt, darunter Millionen von Sternen und Milliarden von Galaxien. Die Bilder, die alle 15 Sekunden aufgenommen werden, werden es Forschern ermöglichen, erdnahe Asteroiden im Auge zu behalten, Einblicke in den Ursprung und die Entwicklung der Milchstraße zu gewinnen, etwas über die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zu erfahren und möglicherweise völlig Neues zu entdecken Phänomene im Kosmos.
„Das Wichtigste ist, so schnell wie möglich so viel vom Himmel zu bekommen und das einfach immer wieder zu tun“, sagte Steven Kahn, ein Astrophysiker und Direktor des Rubin-Observatoriums, gegenüber Gizmodo. „Das Einfachste, was es tun kann, ist einfach zu sagen: ‚Was hat sich geändert? Wie hat es sich verändert?‘ Und das werden wir im Wazoo tun.“
Die Regelmäßigkeit der Bilder der Kamera wird effektiv ein Echtzeit-Verständnis von Ereignissen im nahen und fernen Raum ermöglichen und einen umfassenden Einblick in die Dynamik unseres Universums geben.
Der Kryostat der Kamera, wobei sich die Brennebene in diesem weißen Kasten unten im Vakuum befindet. (Foto: Isaac Schultz)
Die LSST-Kamera verfügt über sechs optische Filter, die sich wie eine faule Susan drehen und je nach den Lichtverhältnissen in einer bestimmten Nacht und den Objekten, die das Personal zu erfassen versucht, ein- und ausgewechselt werden können. Die Filter ermöglichen es der Kamera, den Himmel in sechs verschiedenen Bändern des elektromagnetischen Spektrums abzubilden, vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot.
Ursprünglich war geplant, die Kamera bis 2014 in Chile zu installieren, aber die Produktion der Kamera wurde durch Verzögerungen behindert , zuletzt aufgrund von Covid-19. Auch ohne die Herausforderungen einer Pandemie ist die Leitung eines so großen interdisziplinären Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren „wie das Hüten von Katzen“, sagte Roodman. Aber jetzt kommt endlich was zusammen.
„Wenn Covid nicht gewesen wäre, hätten wir die Kamera wie vor einem Jahr verschickt“, sagte Khan.
Das Frontend der Kamera besteht aus drei Linsen und dem verwendeten Filter. Ziemliech direkt. Dahinter verbirgt sich aber das Kronjuwel der 1,68 m breiten und 3,05 m langen Kamera: ihre Brennebene, der Bereich, auf den das Licht der Spiegel des Teleskops geworfen wird.
Die Fokusebene besteht aus 189 ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs), die in 21 Neunergruppen angeordnet sind und alle im Vakuum auf fast -150° Fahrenheit gekühlt werden, um das Rauschen in den Bildern zu reduzieren und dadurch die Empfindlichkeit der Kamera zu erhöhen. Jedes 0,61 m lange CCD ist mit den quadratischen Sensoren versehen, die die Fokusebene bilden, die so flach ist, dass sie sich in keine Richtung um mehr als 10 Mikrometer neigt. (Ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer groß.) CCDs sind im Grunde genommen Digitalkameras an sich; gruppiert in neuner Flöße fangen sie Mosaikbilder des Himmels ein. Es ist diese Technologie, die das gesamte von den drei Spiegeln des Teleskops reflektierte Licht aufnimmt.
Die CCDs mussten sehr flach und dicht beieinander in ein Array gepackt werden, aber sie konnten sich nicht wirklich berühren, um zu vermeiden, dass einer von ihnen beschädigt wurde.
„Wenn Sie Lücken haben, verschwenden wir nur das Licht.
In diesem Raum fallen Sterne und dann bekommen wir keine Daten“, sagte Kahn und fügte hinzu, dass das Zusammenbauen des Flugzeugs so sei, als würde man ein Luxusauto mit weniger als einem Zentimeter Abstand parken.
Jedes Floß ist teurer als ein Maserati, sagte Roodman, was die Montage (die in diesem Reinraum bei SLAC stattfand) zu einem ziemlich stressigen Prozess macht.
Das Team
testete die fertige Brennebene letztes Jahr
an einem Brokkolikopf .
In Chile sitzt die Kamera zwischen drei Spiegeln;
einer oben, zwei unten.
Der Hauptspiegel ist 8,4 Meter breit und der Tertiärspiegel ist 5 Meter breit.
Der Sekundärspiegel zwischen ihnen hat einen Durchmesser von 11,2 Fuß (3,42 Meter) und ist
laut dem Team des Rubin-Observatoriums
der
größte konvexe Spiegel, der jemals hergestellt wurde.
Die Fokusebene zeigt tatsächlich zum Boden, um Bilder des Weltraums aufzunehmen.
Licht vom Nachthimmel wird von einem der unteren Spiegel reflektiert, zum höheren, konvexen Spiegel und dann zurück zum letzten Spiegel, bevor es schließlich in die Kamera reflektiert wird.
All dies erfuhr ich in einem Umkleideraum des SLAC National Accelerator Laboratory, wo Ingenieure, die in einem speziell angefertigten Reinraum arbeiteten, spezielle Stiefeletten und Häschenanzüge anziehen, um zu vermeiden, dass Staub oder Schmutz von außen in die Nähe der Kamera gelangt.
Dieses Gebäude diente einst der Antimaterieforschung.
Als das Team des Rubin-Observatoriums einzog, mussten sie sich mit einem „Knochenhof“ alter Instrumente auseinandersetzen, sagte Roodman.
Der Reinraum wurde in der hängerähnlichen Experimentierhalle gebaut und ist groß genug, um einen Kran unterzubringen, der höchstwahrscheinlich den Kryostaten – die Kapsel, die alle unterkühlten Elemente enthält und diese Temperaturen hält – und den Kofferraum der elektronischen Komponenten in die Kamera einsetzt im Februar 2022.
Ein Arbeiter inspiziert die Filterwechselvorrichtung der Kamera, die es der Kamera ermöglicht, bestimmte Wellenlängen zu erfassen. (Foto: Isaac Schultz)
Eines Tages wird die Kamera hin und her schwenken und jede Nacht riesige Datenmengen generieren.
Aber zuerst muss es sicher zum Rubin-Observatorium gelangen.
Geplant ist, die Kamera im Spätsommer 2022 nach Chile zu schicken. Das Team ist verständlicherweise gestresst wegen der Reise.
Im vergangenen Sommer
schickten sie einen groben Ersatz für die Kamera, einen sogenannten Massenersatz, nach Chile, um zu testen, mit welchen Erschütterungen die empfindliche Kamera während des Transports zurechtkommen würde.
Das Surrogat sieht einem Versandcontainer sehr ähnlich, hat aber die gleiche Masse und den gleichen Schwerpunkt wie die LSST-Kamera.
Es war mit Sensoren ausgestattet, um zu messen, wie viel Stoß es während der Fahrt erlitten hat.
„Aufgrund von Covid würde das Chartern eines Fluges zum Fliegen für einen Massenersatz lächerlich teuer werden“, sagte Kahn.
„Also machten wir eine kommerziellere Sache, aber sie verließen San Francisco nicht, sie verließen nur Miami, also haben wir es quer durch das Land nach Miami transportiert.
Und dann flogen wir von Miami nach Santiago, aber Gott weiß, warum sie in Brasilien angehalten haben … Es war nicht gerade repräsentativ.“
„Nun, es war schlimmer“, fügte Roodman hinzu.
„Also ist es ein guter Test.“
Bei den optischen Filtern, die hier verpackt sind, gehen die Forscher kein Risiko ein. (Foto: Isaac Schultz)
Das Rubin-Observatorium hat vier wissenschaftliche Hauptziele: das Sonnensystem und die Millionen von Dingen, die es umkreisen;
die Struktur und Bildung der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie;
veränderliche Objekte am Himmel, wie kosmische Explosionen und andere flüchtige Ereignisse;
und, in Anlehnung an seinen Namensgeber, die Erforschung der Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie, von denen
Vera Rubin Mitte des 20. Jahrhunderts die Gravitation beobachtete .
Jede Nacht gibt die Kamera 15 Terabyte an Daten zu Helligkeit, Orten, Formen und Farben von Objekten aus, die sie sieht.
Das Rubin-Observatorium wird pro Nacht 10 Millionen automatisierte Warnungen über die darin enthaltenen Informationen versenden.
In der Vergangenheit konnten sich Astronomen, Astrophysiker und Kosmologen auf E-Mail-Updates und andere Mitteilungen über neue, interessante Phänomene im Weltraum verlassen.
„Die eigentliche Herausforderung besteht darin, diese 10 Millionen Dinge pro Nacht zu filtern“, sagte Kahn.
„Wie findet man die wirklich ungewöhnlichen Dinge, die die Spreu vom Weizen trennen?“
Bis zu einem gewissen Grad, so Kahn, werde der Filterprozess automatisiert.
Aber Ereignisse der Superlative werden sofort erkannt und verbreitet werden können, sodass andere Observatorien auf der ganzen Welt im Handumdrehen zu einem faszinierenden Ereignis wechseln können.
Neben der enormen Auflösung der Kamera wird ihr Sichtfeld (groß genug, um 40 Vollmonde astralen Grundbesitzes zu umfassen) die Fähigkeit der Wissenschaftler verbessern, Muster im Universum zu erkennen.
Mit einer solchen Häufigkeit von Bildern über eine solche Himmelsspanne kann das Team effektiv verfolgen, wie sich Tonnen von Objekten im Laufe der Zeit verändern.
Es kommt einem Stop-Motion-Film des beobachtbaren Universums (auf der Südhalbkugel) gleich.
Einige Ereignisse werden mit einer superscharfen Kamera besonders aufregend sein, wie zum Beispiel Linseneffekte, die auftreten, wenn Licht durch die Gravitationsfelder massiver Objekte gebeugt wird.
Bei starken Linseneffekten biegt sich Licht auf seinem Weg zur Erde so drastisch um ein Objekt herum, dass es zu unterschiedlichen Zeiten hier eintrifft, was zu Doppel- oder Dreifachansichten derselben Quelle führt.
Das ist die
Situation bei der Requiem-Supernova , die 2016 aus unserer Sicht dreimal aufblitzte.
Dunkle Materie, das mysteriöse Zeug, das den größten Teil des Universums ausmacht, aber nicht wirklich gesehen werden kann, ist ein natürliches Ziel für das Observatorium.
„Im Laufe meiner Karriere erkannten kluge Leute: ‚Oh mein Gott, das Universum hat viel dunkle Materie‘, ‚Oh, es gibt noch mehr dunkle Materie als normale Materie‘ und dann tatsächlich drei Viertel des Zeugs in das Universum ist nicht einmal Materie.
Es ist diese andere Sache.
Das zu studieren ist also unwiderstehlich“, sagte Roodman.
Wissenschaftler sind sich auch immer noch nicht sicher, was die beschleunigte Expansion des Universums antreibt oder warum der Hubble-Parameter
als eine andere Zahl berechnet wird, je nachdem, ob Sie ihn mit nahen Objekten oder dem kosmischen Mikrowellenhintergrund messen.
„Wir haben diese großen Geheimnisse.
Aber gleichzeitig haben wir ein Standardmodell der Teilchenphysik und tatsächlich ein Standardmodell der Kosmologie, die bemerkenswert erfolgreich, extrem gut getestet und quantitativ bemerkenswert erfolgreich sind.
Aber sie machen keinen Sinn“, sagte Kahn.
„Und doch muss etwas stimmen, denn so präzise würden diese mathematischen Vorhersagen auf keinen Fall eintreffen.“
Leider muss die Kamera mit der vom Menschen verursachten Umweltverschmutzung fertig werden: nämlich den Konstellationen von Satelliten wie Starlink von SpaceX, die in bis zu
30% der Bilder der LSST-Kamera
auftauchen könnten
.
Vorbeiziehende Satelliten können Daten verschleiern oder sogar zu eigenen, irreführenden Datenpunkten werden.
Die neue Kamera „erfordert Zugang zum unberührten, unverschmutzten Nachthimmel, der seit Jahrtausenden das Geburtsrecht der Erdbewohner ist“, schrieb das Wissenschaftsteam, das die potenzielle astronomische Störung maß.
Trotz dieser Herausforderungen wird das LSST wahrscheinlich einige der aufregendsten astrophysikalischen Entdeckungen der kommenden Jahrzehnte vorantreiben.
Alle gesammelten Bilder werden der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, so dass Sie auch als Nicht-Astrophysiker die faszinierenden Verhaltensweisen kosmischer Objekte nach Herzenslust bestaunen können.
Das erste Licht des Observatoriums ist
derzeit für Januar 2023
geplant , der Betrieb soll bis Oktober in vollem Gange sein.
Es gibt viele offene Fragen darüber, wie das Universum Gestalt annahm und sich weiter verändert, und diese Kamera wird uns helfen, ihre Antworten zu finden.
