Jak postępuje budowa największej 3,2 gigapikselowej kamery na świecie? Już bardzo blisko finału

Projekty astronomiczne mają to do siebie, że nie realizuje się ich od ręki. Budowa gigantycznego teleskopu Magellana, czy znane wam już naziemne perypetie teleskopu Webb, to nie wyjątki.

To zwykle długotrwałe przedsięwzięcia, dlatego prawdopodobnie już słyszeliście o 3,2 gigapikselowej kamerze powstającej w ramach projektu przeglądu nieba LSST (Legacy Survey of Space and Time), która ma być sercem teleskopu w obserwatorium Very C. Rubin w Chile. Być może nawet z naszego tekstu. Od jego publikacji minęły jednak już trzy lata. Zobaczmy jaki jest obecny status budowy kamery i przybliżmy sobie jeszcze raz detale jej konstrukcji.

W 2019 roku o wszystkim pisaliśmy z perspektywy przyszłości. Będzie zainstalowany, otrzyma itd… Dziś kamera jest nie tylko zmontowana, ale i umieszczona już wewnątrz tubusu, który wyposażono w największą pojedynczą soczewkę w historii o średnicy 157 centymetrów. A także przesłonę z ogromnymi lamelkami, która będzie blokować dostęp do światła pomiędzy 15 sekundowymi ekspozycjami, bo w takim trybie domyślnie będzie pracować ta kamera.

Jedyny element, który czeka na instalację przed pierwszymi testami w ciemnym środowisku, to filtry. Koło filtrów jest już zainstalowane, brakuje tylko filtrów. Kamera będzie miała na bieżąco dostęp do jednego z sześciu filtrów, a jego umieszczenie przed detektorem to procedura, która potrwa aż dwie minuty. Obserwacje będą prowadzone w zakresie fal od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni, z tym, że największa skuteczność przypada na zakres światła widzialnego.

Choć 3,2 gigapikselowa kamera jest bardzo istotnym instrumentem i wyposażona jest we własny układ optyczny, to potrzebuje jeszcze teleskopu, który zbierze światło gwiazd i skieruje je ku tej kamerze.

W tym celu astronomowie wykorzystają Simonyi Survey Telescope, który dysponuje innowacyjnym układem trzech zwierciadeł, z głównym o średnicy 8,4 metra, wtórnym 3,42 metra i trzecim o średnicy 5 metrów. Rozmiarowo będzie to więc teleskop porównywalny do pojedynczego teleskopu VLT, ale o dużo większej światłosile (f/1,2). Dlatego też pole widzenia układu optycznego tego teleskopu wynosi 3,5 stopnia czyli mniej więcej tyle co rozmiar siedmiu Księżyców w pełni ułożonych w linii. Z kolei użyteczna średnica Simonyi Survey Telescope to 6,7 metra, czyli trochę więcej niż w przypadku teleskopu kosmicznego Webb.

Teleskop znajdzie się we wnętrzu kopuły o średnicy około 30 metrów, zbudowanej na szczycie Cerro Pachon na wysokości ponad 2600 metrów (to mniej więcej tyle co wysokość szczytu Gerlach w Tatrach).

Dla przypomnienia, kamera ma rozdzielczość 3,2 gigapiksela, a zapewnia ją mozaika 189 kwadratowych sensorów CCD o rozdzielczości 16 megapikseli każdy i rozmiarze piksela 10 mikrometrów (powierzchnia jednego piksela w 200 Mpix kamerze smartfonu Xiaomi 12T Pro jest 225 razy mniejsza). Sensory są rozmieszczone w grupach po 9 układów tak, by jak najlepiej wykorzystać 64 cm średnicy płaszczyznę ogniskową, a to oznacza, że pojedynczy szklany filtr jest jeszcze większych rozmiarów. Na zdjęciach grupa sensorów znajdujących się na zewnątrz mozaiki ma inny (jaśniejszy) kolor na zdjęciach niż ta w środkowej części mozaiki. Ta rozbieżność ma związek, z dostawami kamer od różnych dostawców. Są one jednak tak zestrojone, by pracować jak układ identycznych produktów.

Konstrukcja o kształcie walca, w której umieszczona jest 3,2 gigapikselowa kamera i jej optyka, waży około 3 ton. Ciepło generowane w trakcie pracy przez elektronikę towarzyszącą sensorom, które będzie musiał odprowadzić układ chłodzenia to około 1100 W. To tyle co zapotrzebowanie na moc mocnej komputerowej stacji roboczej z dwoma GPU NVIDIA RTX A6000

Cała kamera jest chłodzona przez ogromny kriostat, który schładza sensory do około -100 stopni Celsjusza. To temperatura, w której elektronika kamery pracuje w optymalny sposób. Podobne warunki potrzebne są także w innych teleskopach, które używają kamer CCD do obserwacji. Tym co będzie różnić opisywane tu urządzenie od innych, to znacznie większy rozmiar chłodziarki i zapotrzebowanie na ciekły azot, w którego oparach będą pracować nie tylko sensory, ale i główna elektronika sterująca każdym z układów. A jest tego całkiem sporo. Dane za zewnątrz kriostatu będą wyprowadzone za pomocą łączy światłowodowych.

Księżyc sfotografowany kamerą LSST, zajmowałby na finalnym zdjęciu powierzchnię około 64 megapikseli. Tak precyzyjne będą obrazy nieba, wykonywane każdej nocy. Łącznie w ciągu 10 lat, powstanie około 5,5 miliona zdjęć nieba o rozdzielczości 3,2 gigapiksela każde

By teleskop mógł funkcjonować bez wąskich gardeł, konieczne jest zapewnienie dużej mocy obliczeniowej już w pobliżu samego teleskopu. Łączna moc obliczeniowej systemu komputerowego na terenie Obserwatorium Very C. Rubin ma wynieść około 2 petaflopsów. Łącze internetowe pomiędzy stanowiskiem teleskopu, a centralą w znajdującej się niedaleko miejscowości La Serena, ma przepustowość 600 Gbps.

Strumień danych z kamery wyniesie około 30 Gbps (3,75 GB/s). Gdyby pojedynczy obraz, powstały z połączenia danych ze wszystkich sensorów, zapisać jako skompresowany plik JPG, miałby on rozmiar kilku GB.

Największym wyzwaniem dla systemu analizy obserwacji w obserwatorium Very C. Rubin będzie ogromna liczba detekcji nowych obiektów, które będzie trzeba prawidłowo zaklasyfikować lub odrzucić jako fałszywe detekcje, np. przelatujące satelity

W trakcie 10 letniego przeglądu nieba spodziewane jest zarejestrowanie kilkuset PB surowych danych, które przełożą się na 15 - 20 PB finalne katalogi. W nich znaleźć mają się dane dla 37 miliardów obiektów (w tym 20 miliardów galaktyk, zauważcie, że jest ich więcej niż gwiazd). Wstępny katalog danych dostępny już na podstawie 6 miesięcy obserwacji ma zawierać 18 miliardów obiektów.

Choć brzmi to śmiesznie, to jednak stuprocentowa prawda. Kamerę LSST i teleskop będzie obsługiwać ekipa techników z Chile (podobnie jest w przypadku większości teleskopów zlokalizowanych w tym kraju), która oczywiście powinna znać język angielski, ale na pewno swobodniej czuje się z materiałami pomocniczymi napisanymi po hiszpańsku. Dlatego właściwe przetłumaczenie materiałów szkoleniowych i instrukcji użytkowania, jest tu tak istotne.

Na tę chwilę jeszcze trochę poczekamy. Opóźnienia związane z sytuacją epidemiczną, zmusiły do przesunięcia terminu pierwszego światła kompletnego systemu na marzec 2024 roku. Natomiast już wiosną 2023 roku ukończona zostanie budowa kopuły w miejscu obserwacji, a nieco później do Chile przetransportowana zostanie kamera. Pierwsze testy optyki mają rozpocząć się latem 2023 roku.

Regularne obserwacje mają rozpocząć się nie wcześniej niż jesienią 2024 roku.

Źródło: IEEE spectrum, Vera C. Rubin Observatory, foto wejściowe: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory, inf. własna