文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯|Meister Xia
導讀
美國SLAC國家加速器實驗室開發(fā)的LSST相機是一項引領天文學領域的重大成就。通過LSST相機，科學家將能夠以前所未有的精度觀測宇宙，從而更深入地了解宇宙的結構和演化，特別是暗能量和暗物質(zhì)等神秘現(xiàn)象。LSST相機的建設與合作涉及多個國際研究機構，展現(xiàn)了全球科學界在追求知識和探索宇宙奧秘方面的協(xié)同努力。LSST相機的建設對天文學領域有哪些重大意義？它將如何推動天文學的發(fā)展？LSST相機的技術特點是什么？它是如何實現(xiàn)高速、高精度的觀測的？
一覽：
- 經(jīng)過20年的研發(fā)，美國SLAC國家加速器實驗室研發(fā)的LSST（時空遺產(chǎn)調(diào)查）相機終于完成建設。
- SLAC聯(lián)手多所研究機構開發(fā)的LSST融合了多項先進技術，將以前所未有的精細度觀察宇宙。
- 這臺3200萬像素的相機可用于研究暗物質(zhì)和暗能量，加深人類對宇宙的認識。
- LSST的6個濾鏡、創(chuàng)新的濾鏡更換器、快速讀出電子設備、CCD探測器等部件共同造就了其超高性能。
- 優(yōu)化讀出設備，能使LSST能夠高效地處理數(shù)據(jù)，為未來天文學的重大突破鋪平了道路。
- 部分技術仍處于調(diào)試階段，但LSST的首批太空圖像預計將于2025年春季問世。
經(jīng)過20余年的努力，美國SLAC國家加速器實驗室研發(fā)的LSST（時空遺產(chǎn)調(diào)查）相機已完成建設，即將安裝在智利安第斯山脈塞羅帕雄山海拔2700米的天文望遠鏡上。塞羅帕雄山是全球最佳天文觀測地點之一，歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）[1]和ALMA[2]等眾多大型設備皆坐落在該地。
3200萬像素的LSST相機僅用三天就能掃描整個天空，每晚拍攝800張圖像，每張圖像覆蓋的面積是月球的40倍，以前所未有的精細度觀察宇宙。LSST還將加深人類對暗能量的理解。在暗能量的作用下，宇宙加速膨脹。LSST可以檢測出“弱引力透鏡效應”——遙遠的背景星系發(fā)出的光被前景星系輕微扭曲之后，產(chǎn)生的一種像的形變效應。研究弱引力透鏡效應，能判斷出宇宙質(zhì)量分布隨時間變化的趨勢，從而得知宇宙膨脹的情況。
科學家認為，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的85%。LSST能觀察星系的分布及其隨時間的演變，尋找神秘的暗物質(zhì)。
LSST相機是SLAC與多家國際研究機構的合作成果。隸屬于美國能源部的布魯克海文國家實驗室負責制造相機的數(shù)碼傳感器陣列。同時，隸屬于美國能源部的國家核安全局的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室負責制造鏡頭。法國國家核物理與粒子物理研究所（IN2P3/CNRS）參與了傳感器和電子原件的設計，還制造了濾鏡更換系統(tǒng)，讓LSST能拍攝從紫外線到紅外線六個光波段的圖像。
IN2P3/CNRS亞原子物理和宇宙學實驗室（LPSC）[3] 研究員Johan Bregeon 2019年起參與LSST相機的研制。他介紹：“LSST大約有一輛汽車大小?！?相機重約3000公斤，有三個鏡頭，前置鏡頭的直徑約為160厘米，是有史以來最大的高性能光學鏡頭。
01 顛覆天文學的巨型相機
Bregeon 說：“LSST不僅是拍攝太空美圖的‘大相機’。它能將捕捉的光線以最高的忠實度還原，在天文界具有顛覆性意義?！?/p>
圖片來源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC國家加速器實驗室 - LSST相機的前視圖，顯示了其內(nèi)部3200萬像素的焦平面。
LSST三鏡頭系統(tǒng)可用于視野校正，這樣不必擴大設備尺寸也能觀察到更大范圍的天空。鏡頭的焦平面處裝有CCD探測器，負責捕捉收集光線。LSST的另一個重要部件是濾鏡更換器。Bregeon 說：“在天文學特別是宇宙學研究中，須要以多個光學波段觀察天空，最長的波段接近近紅外。使用濾鏡，就能只讓特定波段的光線通過鏡片。”
02 精密的濾鏡更換系統(tǒng)
IN2P3/CNRS設計的濾鏡更換系統(tǒng)由一個轉(zhuǎn)盤、六個濾鏡和一個復雜的機械系統(tǒng)組成，可以在兩分鐘內(nèi)完成一次濾鏡切換。“濾鏡是直徑為75厘米的圓形鏡片。最輕的25公斤，最重的38公斤，所在的位置偏差不能超過幾百微米。LSST使用期間須要頻繁切換濾鏡，每晚若干次。在LSST的長達十年的服役周期中，要完成10萬次切換?？紤]到機械的老化，設計方案的實施難度很高?！?/p>
圖片來源：Chris Smith/SLAC國家加速器實驗室- LSST照相機主要部件示意圖。
濾鏡更換系統(tǒng)必須跟濾鏡裝載系統(tǒng)配合運行?！把b載系統(tǒng)負責從匣子中取出一個濾鏡，待原先的濾鏡取下后，插入濾鏡室的轉(zhuǎn)盤中。裝載器由我所在的LPSC團隊設計、測試、制造和驗證。”
03 法國科學家大幅提升CCD探測器數(shù)據(jù)讀出速度
LSST的技術挑戰(zhàn)不僅在于其舉世無雙的體積，還在于必須能快速讀取CCD探測器的數(shù)據(jù)。目前類似的天文相機讀取幾億像素大約需要30秒。“但我們希望LSST每晚進行1500次以上的曝光，30秒太長了?！盠PSC研發(fā)團隊對電子設備的讀出效率進行了大幅優(yōu)化提升，現(xiàn)在大約2秒內(nèi)就能讀取30億像素?！拔覀冞€深度研究了CCD探測器的原理，以確保相機輸出原始數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生的圖像盡可能忠實地反映天空的景象。”
目前有多所實驗室正在研發(fā)原始圖像校準還原技術，盡可能提高LSST的成像質(zhì)量，但仍處于調(diào)試階段。“我現(xiàn)在在分析去年相機在SLAC試運行時的數(shù)據(jù)，檢查鏡頭與相機焦平面的對準情況?！?LSST首批太空成像預計將于2025年春季問世。