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史上最高像素的照片诞生!全球最大数码相机,将开启天文学新时代

史上最高像素的照片诞生!全球最大数码相机,将开启天文学新时代

全球像素最高的罗马花椰菜(图片来源:SLAC国家加速器实验室)

在美国能源部的斯坦福直线加速器(Stanford Linear Accelarator,简称SLAC)国家加速器实验室内,工作人员将一个成像传感器阵列对准了一颗罗马花椰菜,拍下了这张黑白照片。这张看上去再普通不过的照片,不仅意味着成像能力的进步,也是天文学的重要里程碑。

这张照片如此特殊的原因在于,这是SLAC工作人员首次照下了32亿像素的数码照片,也是通过单次成像得到的最高像素的照片。这些照片之大,要用378块4K超高清电视屏幕才能完整展示出其中的一张;它们的清晰度能让你在大约24千米外看见一颗高尔夫球。

而拍摄这张照片的成像传感器阵列,将会成为薇拉·库珀·鲁宾天文台(Vera C。 Rubin Observatory)相机的核心部件。这座位于智利的天文台以4年前去世的天体物理学家薇拉·鲁宾命名,以纪念她在暗物质研究领域的重要贡献。

接下来,这个传感器阵列将并入SLAC仍在建的全球最大数码相机中。在鲁宾天文台组建完成后,这个相机将可以拍下整个南天的全景图——每隔几晚就能照一张;如此这般,持续十年。每晚,鲁宾天文台都需要处理、储存超过20 TB的数据。

这些数据会从相机传入鲁宾天文台的时空遗产调查项目(Legacy Survey of Space and Time,LSST)数据库中,这个数据库包含了比地球人口还多的星系,和数不清的天体的运动信息。利用LSST相机,鲁宾天文台能拍出有史以来最宏大的天文学电影,并揭开许多重要的宇宙之谜的面纱。这其中就包括暗物质和暗能量之谜:LSST产出的数据将用于暗能量科学协作项目(Dark Energy Science Collaboration,DESC),帮助我们进一步了解这种推动宇宙加速膨胀的神秘能量。

“这对我们来说,是一个重要的里程碑,”LSST相机项目主管,美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的文森特·里奥特(Vincent Riot)表示,“焦平面为给LSST提供图像,它将是鲁宾天文台得力、敏感的眼睛。”

鲁宾天文台主任,来自SLAC的史蒂文·卡恩(Steven Kahn)说:“这是整个鲁宾天文台项目最重要的成就之一。LSST相机的焦平面的建成和成功测试,是相机团队的一次巨大成功。这次成功将能让鲁宾天文台开启下一代的天文学研究。”

组装最强相机

某种意义上来说,焦平面就好像消费级数码相机中的成像传感器:它能捕捉物体发出或反射的光线,再将其转化为电信号,以此产生图像。但LSST相机的焦平面比这要复杂得多。实际上,它包含了189个独立传感器,也叫电荷耦合器件(charge-coupled devices,CCD)。每个CCD能输出1600万像素——与大多数现代数码相机的成像传感器输出的像素量相差无几。

史上最高像素的照片诞生!全球最大数码相机,将开启天文学新时代

建成的LSST相机焦平面直径至少有61厘米,包含189个独立传感器,能输出32亿像素的图像。(图片来源:Jacqueline Orrell/SLAC)

所谓的“科学筏”(science rafts)的安装,在美国能源部的布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)完成:一个“科学筏”内含9个CCD,以及它们的辅助元件。安装完成后,“科学筏”被运送到SLAC。在SLAC,相机团队会往一个固定网格里,插入21个“科学筏”和还有4个不用于成像的特殊筏。

LSST相机焦平面的单个成像传感器和辅助元件会被包装进一个个单元里,称作“筏”。有两种不同的单元:为鲁宾天文台科学项目输出图像的,是21个方形筏(中央),每个包含9个传感器;除此之外,有四个特殊筏(左侧),每个包含3个传感器,用于相机对焦,以及将望远镜与地球旋转同步。

焦平面有许多非常特殊的性质。它不仅含有32亿个像素,而且这些像素非常小(约10微米宽),整个焦平面十分平整,凹凸不超过人类头发宽度的十分之一。这保证了相机能输出清晰且具有高解析度的图像。焦平面的直径约为61厘米,跟大约3.5厘米的全画幅消费级相机相比,只能用“巨大”来形容。如此之大的焦平面,能拍到相当于大约40个满月大小的天空。而且,整个望远镜的设计敏感度极高,能探测到比肉眼可见程度要暗1亿倍的物体——这就像在几千千米外看到一根燃烧的蜡烛一样。

“这些参数大得可怕,”来自加利福尼亚大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)的LSST相机项目科学家史蒂文·利兹(Steven Ritz)表示,“这些独特的性质,将驱动鲁宾天文台充满野心的科学研究。”

在接下来的10年间,这个相机将会搜集大约200亿个星系的图像。“这些数据能促进我们对星系演化的了解,也能更深入、更精确地检验我们的暗物质和暗能量模型,”利兹说道,“不论是对太阳系,还是对可观测宇宙边缘的物体的详细研究——对很多科学领域来说,这个天文台都会是一个绝佳的设施。”

LSST相机焦平面的表面积大到足以拍到40个满月大小的天空图像。它的解析度之高,你能从大约24公里外看见一个高尔夫球。(图片来源:Greg Stewart/SLAC)LSST相机焦平面的表面积大到足以拍到40个满月大小的天空图像。它的解析度之高,你能从大约24公里外看见一个高尔夫球。

首次拍下32亿像素的照片

焦平面于今年早些时候才被组装完成。在6个月的时间内,SLAC机组人员提心吊胆地将25个科学筏插入网格的狭窄狭槽中。为了让成像面积最大化,相邻筏上传感器之间的间隙还不到5根头发丝宽。成像传感器相互接触时极易破裂,因此整个操作过程非常棘手。

这些科学筏也价格不菲——每件高达300万美元。

负责传感器集成的SLAC机械工程师汉那·波列克(Hannah Pollek)说:“这个项目不但风险高,而且容限严格,非常具有挑战性。但是有了这样一支全能的团队,我们可以算是完成得相当不错。”

焦平面已被放置到了低温恒温器内部,在这里,传感器冷却到-101℃,这是它们正常运作所需的温度。由于疫情,相机团队的成员们一连数月无法进入实验室。他们最终在5月恢复了有限的工作,并且需要遵循严格的社交距离要求。目前他们正在进行大规模测试,以确保焦平面能够满足鲁宾天文台科学计划的技术要求。

其中一项测试就是对包括罗马花椰菜(Romanesco,有着极其细微的表面结构)在内的各种物体首次拍下32亿像素的图像。为了在相机尚未组装完成的情况下做到这一点,SLAC团队利用150微米的针孔将图像投影到焦平面上。

最后冲刺阶段

团队在完成相机组装之后,将迎来更具挑战性的工作。

在接下来的几个月中,他们会将低温恒温器和焦平面插入相机机身,并添加相机镜头,包含世界上最大的光学镜头、快门和用于研究不同颜色夜空的滤镜更换系统。到2021年中期,这款大小与一辆SUV相当的相机,将准备开始最终测试,接着将被运往智利。

SLAC首席研究官兼基础物理学实验室副主任乔安尼·休伊特(JoAnne Hewett)说:“相机完成在即,这非常令人兴奋。能在建立鲁宾天文台的这一关键部分中发挥如此重要的作用,对此我们感到自豪。这是一座里程碑,使我们通过前所未有的方式,朝着探索宇宙的基本问题迈出了一大步。”

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