終於，“時空遺產調查”相機將在智利的高山之巔以高解析度開始掃描夜空。
上圖：無人機拍攝的照片顯示，2021年7月，智利正在建設維拉·魯賓天文臺。
在一個以前用於粒子物理實驗的舊實驗大廳裡，一個法國工程師團隊正在檢查有史以來最大的數碼相機的濾光片。2021年10月，在加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室裡相機正在進行最後的組裝過程。當這臺高解析度成像儀最終投入使用時，它將為我們提供宇宙深處令人驚歎的景象。
該儀器是時空遺產調查（LSST）相機。這臺 3.2 吉畫素（32 億畫素）的相機最終將安裝在智利山頂的維拉魯賓天文臺，在那裡它將每三天拍攝半個南方天空。它將為天文學家、天體物理學家和宇宙學家提供大約每週一次的天空區域的完整影象。
負責相機組裝和測試的首席科學家、天體物理學家亞倫·魯德曼（Aaron Roodman）告訴我們：“我們將在天空的某個區域內，看到比人們以前看到的更暗的物體。很多人做過很深入的研究，但他們只在很小的天空區域內。而新的望遠鏡將能夠在一大片區域內觀測到很遠很遠的地方 —— 從時空角度來說，也就是過去。”
這些每週的照片將組成“時空遺產調查”（Legacy Survey of Space and Time），這是一項為期10年的對南方天空的調查，將收集有關太空中物體的形狀、位置和顏色的資料，包括數百萬顆恆星和數十億個星系。這些每15秒拍攝一次的影象，將使研究人員密切關注近地小行星，瞭解銀河系的起源和演化，瞭解暗物質和暗能量的本質，並有可能發現宇宙中全新的現象。
上圖：相機的元件正在SLAC國家加速器實驗室的一間無塵室中進行組裝。
天體物理學家兼魯賓天文臺臺長史蒂文·卡恩（Steven Kahn）解釋道：“最重要的是儘快獲得儘可能多的天空，並反覆這麼做。簡單地說，它會告訴我們‘發生了什麼變化？它是如何改變的？’，我們將完全掌握這一切。”
相機影象的規律性，將有效地提供對太空中近距離和遠距離事件的實時瞭解，讓人們全面瞭解我們的宇宙到底有多動態。
LSST相機有六個像轉盤一樣旋轉的濾光片，可以根據特定夜晚的光線條件和工作人員試圖捕捉的物體進行切換。濾光片可以讓相機在六個不同波段的電磁光譜中拍攝天空，從近紫外波段到近紅外波段。
上圖：相機的低溫恆溫器，焦平面位於底部白色盒子的真空中。
最初的計劃是在 2014 年之前在智利安裝該相機，但該相機的生產因延誤而受到阻礙，最近一次推遲是由於 covid-19。天體物理學家亞倫·魯德曼認為，即使沒有新冠大流行的挑戰，管理如此龐大的跨學科科學家和工程師團隊“就像放牧一樣”。但現在，一切終於走到了一起。
魯賓天文臺臺長史蒂文·卡恩則表示：“如果不是因為新冠肺炎，我們可能會在一年前就發貨了。但在這個階段，由於一切都已經接近組裝完成，所以一切都很關鍵。”
相機的前端由三個鏡頭和使用的濾鏡組成，相對簡單。但在它的後面是5.5英尺寬、10英尺長相機的核心部分：焦平面，也就是望遠鏡鏡面投射光線的區域。
焦平面由189個電荷耦合器件（CCD）組成，這些CCD分成21組，每組9個，全部在接近零下150華氏度的真空中冷卻，以減少影象中的噪聲，從而提高相機的靈敏度。每個2英尺長的CCD頂部都有正方形的感測器，這些感測器構成了焦平面，焦平面非常平坦，它向任何方向的傾斜都不會超過10微米（人類的頭髮直徑約為70微米）。CCD本身基本上就是數碼相機；它們以九個一組的形式聚集在一起，拍攝天空的馬賽克影象。這項技術將吸收望遠鏡三面反射鏡反射的所有光線。
把焦平面組合在一起就像馴服一頭野獸。大量的 CCD 需要非常平整，且非常靠近地排列成一個陣列，但它們實際上又不能相互接觸，以避免損壞其中任何一個。魯賓天文臺臺長史蒂文·卡恩解釋道：“如果存在間隙，我們只是在浪費光。星星會落入那個空間，然後我們將無法獲得資料。將焦平面組裝起來，就像在四周間隙不到一釐米的空間中停放一輛豪華汽車。 而且，每個元件都比一輛瑪莎拉蒂貴，這使得組裝（在 SLAC 的潔淨室中進行）是一個壓力很大的過程。” 去年，該團隊在花椰菜頭上測試了完成的焦平面。
一旦到達智利，相機將位於三個鏡子之間；上面一個，下面兩個。主鏡寬27.56英尺（8.4 米），三級鏡寬16.4英尺（5 米）。據魯賓天文臺團隊稱，它們之間的副鏡寬11.2英尺（3.42 米），是有史以來最大的凸面鏡。
焦平面實際上會指向地面，來捕捉太空的影象。來自夜空的光線將從較低的一面鏡子反射到較高的凸面鏡，然後向下反射到最後一面鏡子，最後反射到相機中。
上圖：工作人員檢查相機的濾光片更換裝置，該裝置將允許相機捕捉特定的波長。
在 SLAC 國家加速器實驗室，工程師們在一間定製的潔淨室裡工作，穿著特殊的靴子和兔子服，以避免把任何外部灰塵或碎屑帶到相機附近。這座建築曾經用於反物質研究。 當魯賓天文臺的相機團隊搬進來時，他們不得不處理這個堆滿了舊儀器的“墳墓”。潔淨室建在類似衣架的實驗大廳內，高度足以安裝一臺起重機。據瞭解，將所有的低溫恆溫器（包含所有過冷元素並保持這些溫度的太空艙）和電子元器件的後備箱插入相機的那一刻，最有可能在2022年2月。
總有一天，相機會來回旋轉，每晚都會產生大量資料。但首先，必須使它安全可靠地送到魯賓天文臺。計劃是在2022年夏末將相機送到智利。可以理解，團隊對這次旅行感到的壓力是非常大的。剛剛過去的這個夏天，他們向智利傳送了一個相機替代品，稱為大規模替代相機，以測試這種精緻的相機在運輸過程中可能會遇到的衝擊。替代相機看起來很像一個集裝箱，但具有與 LSST 相機相同的質量和重心。它還配備了感測器來測量它在旅途中經歷了多少震動。
上圖：研究人員不想讓這些濾光片有任何風險，它們被打包在這裡。
實際上，魯賓天文臺有四個主要的科學目標：太陽系及其周圍數以百萬計的物體；我們的家鄉銀河系的結構和形成；天空中多變的物體，比如宇宙爆炸和其他轉瞬即逝的事件；以及探索暗物質和暗能量的本質，維拉·魯賓（Vera Rubin）在20世紀中葉用引力觀測到了暗物質和暗能量的本質。
到時候，每天晚上相機都會輸出15TB的資料，內容包括它所看到的物體的亮度、位置、形狀和顏色。魯賓天文臺將每晚發出1000萬條關於其中資訊的自動警報。過去，天文學家、天體物理學家和宇宙學家是依賴於有關太空中新的有趣現象的電子郵件更新和其他通知。魯賓天文臺臺長史蒂文·卡恩表示：“真正的挑戰實際上是每晚過濾這1000萬條資訊。你怎麼才能發現真正不尋常的東西，把小麥和穀殼區分開來呢？”在一定程度上，過濾過程將是自動化的。但是，最重要的事件將能夠立即被挑選出來，並傳播出去。所以，世界各地的其他天文臺將能夠在瞬間得到一個有趣的事件的通知。要知道，來自更多儀器的資料是越多越好。
除了相機的巨大解析度，它的視野（大到足以覆蓋40個滿月的星體區域）將徹底改變科學家在宇宙中找出模式的能力。有了如此頻繁的影象橫跨如此大的天空，該團隊可以有效地跟蹤海量的物體是如何隨著時間的推移而變化的。它就相當於一部關於（南半球）可觀測宇宙的定格電影。
用這樣一臺超銳利的相機看到一些事件會特別令人興奮，比如透鏡事件，當光線被大質量物體的引力場彎曲時就會發生。在強透鏡效應中，光在到達地球的途中會在物體周圍劇烈彎曲，以至於它在不同的時間到達地球，從而導致同一光源的雙重或三重視野。這就是安魂曲超新星的情況，從我們的角度來看，它在2016年閃爍了三次。
上圖：哈勃太空望遠鏡捕捉到的透鏡現象。LSST攝像機將捕捉更多。
暗物質是一種神秘的物質，它似乎構成了宇宙的大部分，但實際上卻無法被觀測到，它也是魯賓天文臺的一個天然目標。
科學家們也仍然不確定是什麼驅動了宇宙的加速膨脹，或者為什麼哈勃引數的計算是不同的，這取決於你是使用近距離物體還是宇宙微波背景來測量它。
魯賓天文臺臺長史蒂文·卡恩表示：“我們有著這些巨大的謎團。但與此同時，我們有一個粒子物理學的標準模型和一個宇宙學的標準模型，這都非常成功的，經過了非常充分的測試，在數量上也非常成功。但它們真的沒有任何意義。但能直接進行觀測肯定是必要的，因為這些數學預測根本不可能如此精確地實現。”
遺憾的是，這款相機將不得不處理人為汙染：即衛星星座，如 SpaceX 的 Starlink，它們可能會出現在 LSST 相機拍攝的多達 30% 的影象中。透過的衛星，可能會模糊資料，甚至成為它們自己的誤導性資料點。測量潛在天文干擾的科學團隊表示，這種新相機“需要接觸到原始的、未受汙染的夜空，數千年來，這一直是地球居民與生俱來的權利”。
如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！
