Højt op på toppen af Cerro Pachón i det nordlige Chile, NSF – Doe Vera C. Rubin Observatory nærmer sig færdiggørelsen. I hjertet af anlægget udfoldes et centralt øjeblik i projektets videnskabelige eventyr. Efter mere end 20 års omhyggelig forskning og udvikling og uger med testning er LSST -kameraet med succes installeret på Simonyi Survey Telescope.
Holdene indånder et kollektivt lettelsens suk. Verdens største digitale kamera, der er bygget på DOE SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC), er nu på plads, og forventningen om at fange de første billeder til Legacy Survey of Space and Time (LSST) er håndgribelig. Den største astronomiske film, der nogensinde er lavet, er ved at begynde.
Nå, næsten.
At starte et sådant sofistikeret kamera er langt mere kompliceret end at trykke på en simpel “on/off” -knap. At skabe den største astronomiske film i historien tager tid, tålmodighed og en forpligtelse til præcision. Hver detalje skal dobbeltkontrolleres, og hvert system skal opfylde sine nøjagtige specifikationer, inden de fortsætter.
I modsætning til i de tidligere konstruktionsstadier driver kameratholdet nu fem meter (16,4 fod) over jorden, udnyttet sikkert til en lille platform, der ikke understøtter mere end 125 kg (275 pund). Deres bevægelser er begrænset af kameraets rotation og teleskopets spejle, placeret lige centimeter væk. Det, der kan virke som en simpel slangeforbindelse, bliver en helt ny udfordring under disse forhold.
LSST -kameraet er ved at gennemgå en række kritiske trin. Den første er at skabe et vakuum inde i kryostaten, en beholder designet til at opretholde ekstremt lave temperaturer, placeret midt i kameraet. Cryostat huser kameraets komplekse elektroniske systemer og dets mosaik på 189 ladekoblet enhed (CCD) videnskabssensorer. Disse sensorer er designet til at fange billeder af nattehimlen med enestående præcision, hvor hvert billede består af 3.200 megapixel.
Med sine hænder inde i kameraet, der arbejder for at forbinde vakuumsystemet, forklarer Stuart Marshall, kameraoperationsforsker og personaleforsker hos SLAC, “Vakuumet er afgørende for at isolere kameraets elektronik fra temperaturændringer. Når vi først har sikret et stabilt vakuum, vil vi aktivere køleskabssystemet, der vil afkøle kryostaten til meget lave temperaturer.”
Elektronikken genererer ca. 1 kilowatt varme under drift, omtrent ækvivalent med output fra en lille elektrisk varmelegeme. Denne varme skal fjernes fra vakuumkammeret for at forhindre overophedning. “Vi ønsker, at kameraets elektronik skal være mellem -20 ° C og -5 ° C (-4 ° F og 23 ° F) for at opretholde en sikker driftstemperatur. Så vi er nødt til at trække den varme ud. Og vi gør det ved at pumpe en væske ved -50 ° C (-58 ° F) gennem kølesystemet.”
I mellemtiden skal CCD’erne selv afkøles til -100 ° C (-148 ° F). Denne temperatur sikrer optimal ydelse og hjælper med at forhindre, at uønsket varme forstyrrer den følsomme elektronik og nedbryder kvaliteten af billederne. Disse sensorer har deres eget dedikerede kølesystem, som kun aktiveres, når det elektroniske kølesystem er stabilt.
Når disse kritiske trin er afsluttet, vil holdene tænde på CCD’erne og teste kontrol- og dataindsamlingssystemerne for at sikre, at kameraet kommunikerer korrekt med computere. Kameraet vil derefter være fuldt operationelt.
“At opbygge kameraet var aldrig rutinemæssigt, og vi har stadig nye udfordringer og problemer at løse,” forklarer Marshall. “Men nu, når vi gør os klar til de første billeder, overfører vi viden til de observationsspecialister og idriftsættelsesforskere, der skygger for vores arbejde og ofte driver opstart med tilsyn. Det er virkelig spændende!”
Et par meter væk, på stilladset ved siden af kameraet, er Yijung Kang, der observerer specialist og postdoktorisk forsker hos SLAC, klar til at betjene vakuumsystemet. “Alt det observerende team er virkelig glade for at forberede os på operationer. Vi arbejder nu tæt sammen med de andre teams og forbereder test og procedurer for at sikre den vellykkede lancering af vores årti-lange videnskabsmission.”
Arbejdet er metodisk og krævende og involverer sammenkoblede systemer, der kræver en omfattende forståelse af hele kameraet. Eksperter i vakuumsystemer, afkøling og elektronik spiller en kritisk rolle i processen. Det er ikke nok at være ekspert på et specifikt område – man skal have en dyb, holistisk viden om kameraet. Hvert system, hver komponent, hver justering skal forventes omhyggeligt for at sikre perfekt drift.
Yousuke Utsumi, kameraoperationer videnskabsmand og lektor ved det nationale astronomiske observatorium i Japan, ved, at holdet er op til udfordringen. “Arbejdet på kameraet skrider godt frem, og vi er sikre på, at eventuelle problemer, der opstår, selv de mest uventede, vil blive løst.”
På bare et par uger, når disse kritiske trin er afsluttet, og CCD’erne er aktiveret, kommer et andet betagende øjeblik: kameraets objektivkappe fjernes. “Det er ligesom enhver standard kameralinsehætte, men denne er fem og en halv meter bred, og vi vil bruge en kran til at løfte den,” siger Utsumi. Derefter hældes Starlight i LSST -kameraet for første gang.
På dette tidspunkt vil de observationsspecialister tage kontrol. De vælger den del af himlen, der skal observeres, peger teleskopet og kører det computerprogram, der fanger de første fotoner. Kort efter vises de første billeder af himlen på tre gigantiske skærme i kontrolrummet, der markerer begyndelsen på et ekstraordinært filmisk eventyr.
Ligesom en instruktør, der omhyggeligt finjusterer de første optagelser af en film, vil holdene tilbringe et par uger til at raffinere teleskopet og kameraet, perfektionere fokus og optisk justering, fange kalibreringsbilleder, sikre en jævn og stabil drift og forberede sig på eventuelle tekniske problemer. Først da begynder den største astronomiske film, der nogensinde er gjort officielt.