Les équipes du laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie ont pris les 3 premiers, Des photos numériques de 200 mégapixels, les plus grandes jamais prises en une seule photo, avec une gamme extraordinaire de capteurs d'imagerie qui deviendront le cœur et l'âme du futur appareil photo de l'observatoire Vera C. Rubin.

Les images sont si grandes qu'il faudrait 378 écrans de télévision ultra-haute définition 4K pour en afficher un en taille réelle, et leur résolution est si élevée que vous pourriez voir une balle de golf à environ 15 miles de distance. Ces propriétés et d'autres vont bientôt conduire à des recherches astrophysiques sans précédent.

Prochain, le réseau de capteurs sera intégré dans le plus grand appareil photo numérique au monde, actuellement en construction au SLAC. Une fois installé à l'observatoire Rubin au Chili, la caméra produira des images panoramiques de l'intégralité du ciel austral, un panorama toutes les quelques nuits pendant 10 ans. Ses données alimenteront le Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) - un catalogue de plus de galaxies qu'il n'y a d'humains vivants sur Terre et des mouvements d'innombrables objets astrophysiques. En utilisant la caméra LSST, l'observatoire créera le plus grand film astronomique de tous les temps et fera la lumière sur certains des plus grands mystères de l'univers, y compris la matière noire et l'énergie noire.

Les premières images prises avec les capteurs étaient un test pour le plan focal de la caméra, dont l'assemblage s'est achevé au SLAC en janvier.

"C'est une étape importante pour nous, " a déclaré Vincent Riot, Chef de projet caméra LSST du Lawrence Livermore National Laboratory du DOE. "Le plan focal produira les images pour le LSST, c'est donc l'œil capable et sensible de l'observatoire Rubin."

Steven Kahn du SLAC, directeur de l'observatoire, mentionné, "Cette réalisation est l'une des plus importantes de l'ensemble du projet de l'observatoire Rubin. L'achèvement du plan focal de la caméra LSST et ses tests réussis sont une énorme victoire de l'équipe de la caméra qui permettra à l'observatoire Rubin de fournir une science astronomique de nouvelle génération. "

Une merveille technologique pour la meilleure science

Dans un sens, le plan focal est similaire au capteur d'imagerie d'un appareil photo numérique grand public ou à l'appareil photo d'un téléphone portable :il capte la lumière émise ou réfléchie par un objet et la convertit en signaux électriques qui sont utilisés pour produire une image numérique. Mais le plan focal de la caméra LSST est beaucoup plus sophistiqué. En réalité, il contient 189 capteurs individuels, ou dispositifs à couplage de charge (CCD), qui apportent chacun 16 mégapixels à la table, à peu près le même nombre que les capteurs d'imagerie de la plupart des appareils photo numériques modernes.

Des ensembles de neuf CCD et leur électronique de support ont été assemblés en unités carrées, appelés « radeaux scientifiques », " au laboratoire national de Brookhaven du DOE et expédié au SLAC. Là, l'équipe caméra en a inséré 21, plus quatre radeaux spécialisés supplémentaires non utilisés pour l'imagerie, dans une grille qui les maintient en place.

Le plan focal a des propriétés vraiment extraordinaires. Non seulement il contient 3,2 milliards de pixels, mais ses pixels sont également très petits - environ 10 microns de large - et le plan focal lui-même est extrêmement plat, ne variant pas de plus d'un dixième de la largeur d'un cheveu humain. Cela permet à la caméra de produire des images nettes en très haute résolution. À plus de 2 pieds de large, le plan focal est énorme par rapport au capteur d'imagerie de 1,4 pouce de large d'un appareil photo grand public plein format et suffisamment grand pour capturer une partie du ciel de la taille de 40 pleines lunes. Finalement, l'ensemble du télescope est conçu de manière à ce que les capteurs d'imagerie soient capables de repérer des objets 100 millions de fois plus sombres que ceux visibles à l'œil nu, une sensibilité qui vous permettrait de voir une bougie à des milliers de kilomètres de distance.

"Ces spécifications sont tout simplement stupéfiantes, " a déclaré Steven Ritz, scientifique du projet pour la caméra LSST à l'Université de Californie, Santa Cruz. "Ces caractéristiques uniques permettront le programme scientifique ambitieux de l'observatoire Rubin."

Plus de 10 ans, la caméra recueillera des images d'environ 20 milliards de galaxies. "Ces données amélioreront notre connaissance de l'évolution des galaxies au fil du temps et nous permettront de tester nos modèles de matière noire et d'énergie noire plus profondément et plus précisément que jamais, " a déclaré Ritz. " L'observatoire sera une merveilleuse installation pour un large éventail de sciences, des études détaillées de notre système solaire aux études d'objets lointains vers le bord de l'univers visible. "

Un processus d'assemblage à forts enjeux

L'achèvement du plan focal plus tôt cette année a conclu six mois éprouvants pour les nerfs pour l'équipe du SLAC qui a inséré les 25 radeaux dans leurs fentes étroites de la grille. Pour maximiser la zone d'imagerie, les écarts entre les capteurs sur les radeaux voisins sont de moins de cinq cheveux humains de large. Étant donné que les capteurs d'imagerie se fissurent facilement s'ils se touchent, cela a rendu toute l'opération très délicate.

Les radeaux sont également coûteux – jusqu'à 3 millions de dollars chacun.

Ingénieur mécanique SLAC Hannah Pollek, qui a travaillé en première ligne de l'intégration de capteurs, mentionné, « La combinaison d'enjeux élevés et de tolérances serrées a rendu ce projet très difficile. Mais avec une équipe polyvalente, nous l'avons à peu près réussi. »

Les membres de l'équipe ont passé un an à préparer l'installation du radeau en installant de nombreux radeaux « d'entraînement » qui n'entraient pas dans le plan focal final. Cela leur a permis de perfectionner la procédure de traction de chacun des 2 pieds de haut, Radeaux de 20 livres dans la grille à l'aide d'un portique spécialisé développé par Travis Lange du SLAC, chef mécanicien sur l'installation du radeau.

Tim Bond, responsable de l'équipe d'intégration et de test des caméras LSST au SLAC, mentionné, "La taille des composants individuels de la caméra est impressionnante, tout comme la taille des équipes qui y travaillent. Il a fallu une équipe bien chorégraphiée pour terminer l'assemblage du plan focal, et absolument tous ceux qui y travaillaient ont relevé le défi."

Prendre les 3 premiers, Images de 200 mégapixels

Le plan focal a été placé à l'intérieur d'un cryostat, où les capteurs sont refroidis à 150 degrés Fahrenheit négatifs, leur température de fonctionnement requise. Après plusieurs mois sans accès au laboratoire en raison de la pandémie de coronavirus, l'équipe de tournage a repris son travail en mai avec une capacité limitée et en suivant des exigences strictes de distanciation sociale. Des tests approfondis sont actuellement en cours pour s'assurer que le plan focal répond aux exigences techniques nécessaires pour soutenir le programme scientifique de l'Observatoire Rubin.

Prendre les 3 premiers, Images de 200 mégapixels d'une variété d'objets, dont un roman qui a été choisi pour sa structure de surface très détaillée, était l'un de ces tests. Pour le faire sans une caméra entièrement assemblée, l'équipe du SLAC a utilisé un sténopé de 150 microns pour projeter des images sur le plan focal. Ces photos, qui peut être exploré en pleine résolution en ligne (liens en bas du communiqué), montrer les détails extraordinaires capturés par les capteurs d'imagerie.

"Prendre ces images est un accomplissement majeur, " a déclaré Aaron Roodman du SLAC, le scientifique responsable de l'assemblage et des tests de la caméra LSST. "Avec les spécifications strictes, nous avons vraiment repoussé les limites de ce qui est possible pour tirer parti de chaque millimètre carré du plan focal et maximiser la science que nous pouvons en faire."

L'équipe caméra sur la dernière ligne droite

Un travail plus difficile nous attend alors que l'équipe termine l'assemblage de la caméra.

Dans les prochains mois, ils vont insérer le cryostat avec le plan focal dans le corps de l'appareil photo et ajouter les objectifs de l'appareil photo, y compris la plus grande lentille optique du monde, un obturateur et un système d'échange de filtres pour des études du ciel nocturne en différentes couleurs. D'ici la mi-2021, la caméra de la taille d'un SUV sera prête pour les derniers tests avant de commencer son voyage vers le Chili.

"L'achèvement de la caméra est très excitant, et nous sommes fiers de jouer un rôle si central dans la construction de cet élément clé de l'Observatoire Rubin, " a déclaré JoAnne Hewett, Directeur de recherche et directeur de laboratoire associé du SLAC pour la physique fondamentale. "C'est une étape importante qui nous rapproche beaucoup de l'exploration de questions fondamentales sur l'univers d'une manière que nous n'avions pas pu faire auparavant."