Największy 3,2 Gpix „aparat cyfrowy” świata to wyzwanie petaskalowe

Naukowcy parający się badaniem kosmosu mają ciężki orzech do zgryzienia, gdy trzeba rozwiązać problem finansowania projektu. Ba nawet sam etap papierowy - wymyślanie co i jak zrobić, jest trudny i długotrwały. Ponieważ w grę wchodzą ogromne pieniądze, inwestycje muszą być przeprowadzone po kolei, a na sam koniec zostawia się te, które najbardziej ucierpiałyby w wyniku szybkiego rozwoju technologii. Dlatego też teleskop LSST (Large Synoptic Survey Telescope), którego koncepcja i pierwsze prace projektowe mają ponad 10 lat, dopiero teraz doczekał ostatecznej zgody na finansowanie kamery - ale za to jakiej. O rozdzielczości 3200 Mpix, rozmiarach niewielkiego samochodu i wadze prawie 3 ton, która wygeneruje petabajty danych, a to oznacza, że budowa LSST to wyzwanie petaskalowe i praca dla wielu ludzi na sporą część życia.

Oczywiście 3200 Mpix to nie rozdzielczość pojedynczego sensora CCD, a całej mozaiki kwadratowych matryc o rozdzielczości 16 Mpix każda. Pojedynczy piksel będzie dwa razy większy niż piksel w 16 Mpix sensorze Nikona D4S. Łącznie kamera będzie miała 189 sensorów ułożonych obok siebie, które będą odczytywane za pomocą skomplikowanego wielokanałowego systemu (16 jednomegapikselowych kanałów na sensor). Takie rozwiązanie jest konieczne, gdyż odczyt 10 GB z wszystkich matryc za pomocą pojedynczego kanału zajął by wieczność w porównaniu z 2 sekundami jakie zajmie wielokanałowy odczyt obrazu.

Produkcja zwierciadeł dla teleskopu LSST ruszyła już wiele lat temu. Gotowe są już szklane podkłady.  Ale to jeszcze nie koniec, teraz trzeba je wypolerować.  Zakończenie budowy teleskopu planowane jest na 2020 rok, a pierwsze światło, czyli inauguracja sprzętu powinna nastąpić dwa lata później. Będzie to gorący okres dla astronomii obserwacyjnej gdyż na orbicie powinien być już teleskop JWST, a na Ziemi uruchomione zostaną superteleskopy o zwierciadłach kilkudziesięciometrowej średnicy.

Teleskop LSST wyposażono w tak dużą i tak szybką mozaikę sensorów, gdyż celem całej konstrukcji jest prowadzenie stałego i bardzo dokładnego przeglądu nieba. Na jaką rozdzielczość kątową przełożą się tysiące Mpix? Wyobraźcie sobie, że wzdłuż jednego z boków - tak jak widać na poniższej ilustracji zmieści się wycinek nieba na którym dałoby się umieścić obok siebie 7 Księżyców w pełni. Lub mówiąc inaczej, w polu widzenia zmieściłoby się 50 tarcz Księżyca.

Mówiąc kamera, mamy na myśli kompletny produkt. Nie tylko mozaikę sensorów, ale układ optyczny (nie mylić z teleskopem), zestaw 6 filtrów i system chłodzenia.

Jak to porównać z obiektywem fotograficznym? Rozmiary trzech  zwierciadeł, które zapewnią spore jak na teleskop pole widzenia, to 8,4 m, 5 m i 3,4 m. Jasność układu wyniesie f/1,23. Prawda, że to niewiele mówi. Proponujemy skróconą wersję - podobny wycinek nieba sfotografujemy aparatem wyposażonym w obiektyw o ogniskowej około 600 mm. Oczywiście tak wykonane zdjęcie będzie znacznie mniej szczegółowe.

Zastanawia was, dlaczego trzy zwierciadła? Otóż LSST wykorzystuje zmodyfikowany system anastygmatu Paula-Bakera. W takim układzie na drodze światła do kamery znajdują się trzy zwierciadła. W przypadku LSST trzecie zwierciadło znajduje się wewnątrz pierwszego zwierciadła.

Zespół LSST i pierwsze oraz trzecie zwierciadło, a w praktyce ich podstawa

3200 Mpix mozaika sensorów, a w bardziej medialnych jednostkach 3,2 Gpix, będzie jednorazowo generowała obrazy o rozmiarze 10 GB (oczywiście jest możliwość odczytu tylko części mozaiki). W ciągu jednej nocy obserwacyjnej zebrane zostanie około 30 TB danych (da to rocznie co najmniej kilkanaście PB, a pierwsza faza obserwacji to 10 lat).

Projektanci zakładają, że przetwarzaniem danych zajmie się komputer o wydajności co najmniej 150 TFlopsów. Niewiele z perspektywy najszybszych maszyn, nawet obecnie. Gdy jednak pomyślimy, że w latach 90. XX wieku do obserwacji 1 Mpix kamerą wystarczył komputer klasy 386, to dostrzeżemy jak ogromny skok dokonał się w astronomii obserwacyjnej. Duża część obróbki będzie przeprowadzana na miejscu czyli w obserwatorium na Cerro Pachon w Chile.

A przechowywanie danych? Historia astronomii zna przypadki gdy obserwatorzy rezygnowali z przechowywania kompletu danych i teraz widząc postęp technik analizy danych żałują tego mocno. Na korzyść w przypadku LSST działa jednak czas. W 2022 roku petabajtowe powierzchnie dyskowe nie będą już czymś wyjątkowym (w zasadzie i dziś nie zaskakują, choć to jeszcze ogromny wydatek). Dane zachowane zostaną w dwóch kopiach, w miejscu obserwacji i w archiwum w Stanach Zjednoczonych, do którego przesłane zostaną łączami światłowodowymi.

Na niebiesko oznaczono część nieba, która zostanie pokryta obserwacjami LSST

Dane zebrane przez LSST na pewno będą ciekawe. Oprócz przeglądu nieba, obserwacji, które wspomogą kosmologię i poznanie struktury Galaktyki, będą prowadzone również obserwacje bliskich Ziemi obiektów i tych dalszych poza orbitą Plutona. Przegląd prowadzony przez LSST pozwoli po raz pierwszy skatalogować w ramach jednego projektu więcej obiektów niż jest ludzi na Ziemi.

Źródło: LSST