經過二十年的努力，美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室的科學家和工程師及其合作者正在慶祝時空遺留巡天（LSST）相機的完工。一旦安裝在智利的望遠鏡上，3200 萬像素的 LSST 相機将幫助科學家更好地了解暗物質、暗能量和我們宇宙的其他奧秘。
研究人員正在檢查 LSST 相機。這台相機将很快被運往智利，成為維拉-C-魯賓天文台（右）的核心部分。資料來源：格雷格-斯圖爾特/SLAC 國家加速器實驗室
作為能源部和美國國家科學基金會資助的維拉-C-魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）的核心裝置，這台 3200 萬像素的相機将幫助研究人員以前所未有的細節觀測我們的宇宙。在十年的時間裡，它将産生大量關于南半球夜空的資料，研究人員将通過挖掘這些資料來獲得對宇宙的新認識。這些資料将有助于研究人員了解推動宇宙加速膨脹的暗能量，以及尋找占宇宙物質 85% 左右的神秘物質--暗物質。研究人員還計劃利用魯賓資料更好地了解不斷變化的夜空、銀河系和我們自己的太陽系。
魯賓天文台建設主任、華盛頓大學教授澤利科-伊維茨奇（Željko Ivezić）說："随着獨一無二的LSST 照相機在 SLAC 完成并即将與智利魯賓天文台的其他系統內建，我們将很快開始制作有史以來最偉大的影像和資訊量最大的夜空地圖。"
為了實作這一目标，SLAC 團隊及其合作夥伴建造了有史以來最大的天文數位相機。這台相機大約有一輛小汽車那麼大，重約 3000 公斤（3 公噸），其前鏡頭的寬度超過 5 英尺，是迄今為止為此目的制造的最大鏡頭。另一個三英尺寬的鏡頭必須經過特殊設計，以保持形狀和光學清晰度，同時還要密封容納相機巨大焦平面的真空室。焦平面由 201 個定制設計的 CCD 傳感器組成，它非常平整，變化幅度不超過頭發絲寬度的十分之一。像素本身隻有 10 微米寬。
LSST 相機建于 SLAC 國家加速器實驗室，是有史以來最大的天文數位相機。該相機是維拉-C-魯賓天文台為期 10 年的時空遺産巡天（LSST）的核心裝置，它将每 3 個夜晚拍攝整個南部天空。該相機的資料将有助于解決宇宙學中一些最緊迫的問題，如暗能量和暗物質的性質，以及推進對太陽系和不斷變化的夜空的研究。圖檔來源：Olivier Bonin/SLAC 國家加速器實驗室
SLAC教授、魯賓天文台副主任兼照相機項目負責人亞倫-魯德曼（Aaron Roodman）說，這台照相機最重要的特點還是它的分辨率，它的分辨率非常高，需要數百台超高清電視才能全尺寸顯示它的一幅圖像。"它的圖像非常細膩，可以分辨出 15 英裡外的一個高爾夫球，同時覆寫的天空範圍比滿月還要寬七倍。這些包含數十億顆恒星和星系的圖像将有助于揭開宇宙的秘密"。
能源部宇宙前沿計劃項目經理凱西-特納（Kathy Turner）說，揭示這些秘密越來越重要。特納說："與以往任何時候相比，要想擴大我們對基礎實體學的了解，就必須把目光投向更遠的宇宙。以 LSST 相機為核心，魯賓天文台将比以往任何時候都更深入地探索宇宙，幫助回答當今實體學中一些最難、最重要的問題。"
現在，LSST 照相機已經完工，并在 SLAC 經過了全面測試，它将被打包運往智利，并被送上安第斯山脈 8900 英尺高的 Cerro Pachón，今年晚些時候将被吊裝到西蒙尼巡天望遠鏡上。
一旦開始運作，照相機的主要用途就是繪制大量夜空天體的位置圖并測量其亮度。研究人員可以從該星表中推斷出大量資訊。也許最值得注意的是，LSST 相機将尋找弱引力透鏡的迹象，在這種情況下，大品質星系會微妙地彎曲背景星系的光線到達我們的路徑。弱透鏡揭示了宇宙中品質分布的一些情況，以及随着時間的推移品質是如何變化的，這将有助于宇宙學家了解暗能量是如何推動宇宙膨脹的。
SLAC 進階工程師兼 LSST 相機項目經理馬丁-諾德比（Martin Nordby）說，該天文台是第一個為研究如此規模的弱透鏡而建造的天文台，該項目促使科學家和工程師們開發了許多新技術，包括新型 CCD 傳感器和一些有史以來最大的透鏡，并確定所有這些元件都能很好地協同工作。
藝術家繪制的 LSST 相機效果圖，顯示了其主要元件，包括鏡頭、傳感器陣列和工具箱。資料來源：Chris Smith/SLAC 國家加速器實驗室
科學家們還希望研究星系分布的模式以及這些模式随着時間的推移而發生的變化，識别暗物質群和發現超新星，所有這些都有助于進一步了解暗物質和暗能量。
這麼大的相機還能做什麼？
揭示遙遠星系細節的相同圖像将幫助研究人員研究離家更近的東西：我們自己的銀河系。銀河系中的許多恒星又小又暗，但借助 LSST 相機的靈敏度，研究人員有望繪制出銀河系更為詳細的地圖，進而深入了解銀河系的結構和演變，以及其中恒星和其他天體的性質。
在離地球更近的地方，研究人員希望對太陽系中的許多小天體進行更徹底的普查。根據魯賓天文台的估計，該項目可能會使已知天體的數量增加 10 倍，這可能會讓人們對太陽系的形成過程有新的認識，或許還有助于識别那些過于接近地球的小行星所帶來的威脅。
這台相機将安裝在魯賓天文台的西蒙尼巡天望遠鏡上，該望遠鏡位于智利安第斯山脈的高處。資料來源：魯賓天文台/美國國家科學基金會/AURA
最後，魯賓科學家将研究夜空是如何變化的--例如，恒星是如何死亡的，或者物質是如何落入星系中心的超大品質黑洞的。
SLAC 主任約翰-薩拉奧（John Sarrao）說，這台相機是實驗室及其合作夥伴的一項"巨大成就"。LSST相機和魯賓天文台将為我們的宇宙打開一扇新視窗，讓我們深入了解宇宙中一些最神秘的事物，同時揭示離我們更近的奇迹。"看到拉加中心的科技專長、項目上司力和強大的全球合作夥伴關系以如此具有影響力的方式彙聚在一起，我感到非常興奮。我們迫不及待地想看到下一步的發展。"
提供專業知識和技術的合作實驗室包括：布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory），該實驗室制造了相機的數字傳感器陣列；勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory），該實驗室與其工業合作夥伴一起設計和制造了相機的鏡頭；法國國家科學研究中心（IN2P3/CNRS）的國家核與粒子實體研究所（National Institute of Nuclear and Particle Physics at the National Center for Scientific Research），該研究所參與了傳感器和電子裝置的設計，并制造了相機的濾光片交換系統，該系統将使相機能夠捕捉從紫外線到紅外線的六個不同波段的光。
已完工的 LSST 相機正面圖，顯示其中的 3200 萬像素焦平面。圖檔來源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 國家加速器實驗室
布魯克海文實驗室儀器部進階實體學家保羅-奧康納（Paul O'Connor）說："布魯克海文實驗室的團隊（其中一些人已經為該項目工作了 20 多年）非常高興地看到 LSST 相機的完工。我們與多個合作者共同開發的快速、超靈敏 CCD 子產品将為魯賓天文台未來十年的突破性科學研究做出貢獻，我們期待着在這一旗艦天文巡天項目中開展合作。"
照相機光學元件的一個主要特征是它的三個透鏡，其中一個直徑為 1.57 米（5.1 英尺）的透鏡據信是迄今為止制造的世界上最大的高性能光學透鏡。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程師、前 LSST 相機項目經理 Vincent Riot 說："勞倫斯利弗莫爾國家實驗室非常榮幸能有機會為 LSST 相機設計并監督大型透鏡和光學過濾器的制造，其中包括世界上最大的透鏡。LLNL 能夠利用其幾十年來開發世界上最大雷射系統所積累的大型光學技術專長，看到這個前所未有的儀器完工并準備前往魯賓天文台，我們感到非常興奮。"
IN2P3/CNRS 相機科學家皮埃爾-安蒂洛格斯（Pierre Antilogus）說："為了制作宇宙三維電影，相機必須在大約 2 秒鐘内拍攝圖像，并在 90 秒鐘内更換濾鏡。對于如此大小的相機來說，這是一項了不起的壯舉。如果說 LSST 相機焦平面的尺寸是獨一無二的，那麼其内部技術的密度則更加令人印象深刻。通過負責濾光片交換系統和對焦平面的貢獻，我們的團隊很高興能夠參與到開發如此強大相機的集體冒險中來。"
這台相機的項目副經理兼相機內建經理特拉維斯-蘭格（Travis Lange）說，對于建造這台相機并上司該項目的 SLAC 團隊來說，建造這台相機也是一項有意義的挑戰："我為我們的成果感到非常自豪。這是一個非常獨特的項目，讓我接觸到了很多不可思議的經曆--誰能想到國務卿和衆議院議長會在錄影機無塵室前召開新聞釋出會？這将是一個難以追趕的項目"。
編譯自:ScitechDaily