Der Bau der weltgrößten Digitalkamera, die jemals für die Astronomie hergestellt wurde, der Legacy Survey of Space and Time Camera des Vera C. Rubin Observatory, ist keine einfache Aufgabe – so viel ist klar.
Die Kamera verfügt über ein 3.200-Megapixel-Sensorarray, einige der größten Objektive, die jemals gebaut wurden, und komplexe Elektronik, die einen Ozean astrophysikalischer Daten von der Kamera aufnehmen und in die Welt senden soll.
Was vielleicht weniger offensichtlich ist, ist, wie viel Arbeit in die Funktionsfähigkeit der Kamera gesteckt wird, die im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums gebaut wurde. Schließlich wurde das System speziell dafür entwickelt, weiter und tiefer in unser Universum zu blicken als jede Kamera zuvor. Und treiben Sie dabei die Bemühungen voran, Dunkle Materie und Dunkle Energie zu verstehen. Die Umsetzung solch ehrgeiziger Pläne und Entwürfe in die Realität wird mit einigem Ausprobieren und einer Menge Kalibrierung und Tests verbunden sein.
Hier sprechen drei Mitglieder des Teams, das für die gesamte Kalibrierung und Prüfung verantwortlich ist, darüber, was dazu beigetragen hat, die LSST-Kamera so gut wie möglich zu machen.
Beeindruckende Bilder noch besser machen
Eine der zentralen Herausforderungen besteht laut LSST-Kamerawissenschaftler Yousuke Utsumi darin, „Bilder in wissenschaftliche Erkenntnisse umzuwandeln“. Schließlich soll die Kamera nicht nur schöne Bilder machen, sondern eine präzise Karte des Universums erstellen, und dazu müssen detaillierte und genaue Bilder entfernter Galaxien aufgenommen werden. „Wir wollen Galaxien genau vermessen, um die Natur der Dunklen Materie zu verstehen.“
Dies erfordert mehr als nur speziell entwickelte Linsen und Sensoren, sagt Utsumi, denn egal wie gut diese Komponenten entworfen und gebaut sind, es wird immer Unvollkommenheiten geben. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Bild vor, das mit einer gewöhnlichen Kamera aufgenommen wurde: In der Nähe der Ränder wird es immer einige Verzerrungen in Form und Farbe geben. Auch bei den digitalen Sensoren kommt es zu leichten Verzerrungen, ähnliche Effekte gelten auch für die LSST-Kamera. „Wir müssen verstehen, was dort vor sich geht, damit wir es korrigieren können.“
Utsumi und sein Team haben innerhalb von drei Monaten mit den LSST-Kamerasensoren Tausende von Bildern aller möglichen Formen und Muster aufgenommen. Anschließend verglichen sie die Bilder der Kamera mit den Originalen, um zu verstehen, wie etwaige Verzerrungen oder Fehler korrigiert werden können. Das Team hat auch daran gearbeitet, andere Probleme zu beheben, beispielsweise die Tatsache, dass hellere Objekte größer erscheinen, als sie tatsächlich sind, sowie „Geister“ oder Bilder eines Objekts, die aufgrund elektronischer Überschneidungen zwischen Sensoren in der Kamera entstehen.
„Wir wissen jetzt viel über die Kamera, daher wird es spannend zu sehen, wie sie am Teleskop funktioniert“, sagt Utsumi.
Eine narrensicherere Kamera bauen
Obwohl Utsumis Arbeit von entscheidender Bedeutung dafür ist, dass die Kamera so gut wie möglich funktioniert, sind die Sensoren und Objektive nur zwei Komponentensätze in einer Kamera von der Größe eines kleinen SUV. Die Kamera verfügt über ein Kühl- und Vakuumsystem, mehrere Bordcomputer und eine Reihe weiterer elektronischer Geräte, die den Betrieb der Kamera überwachen und steuern.
Stuart Marshall, der Betriebsphysiker der LSST-Kamera, ist dafür verantwortlich, dass alle diese Systeme ordnungsgemäß funktionieren. „Sobald alles richtig funktioniert, können wir da sitzen und Daten erfassen, und es gibt eine kleine Armee von Leuten, die sich ansehen, was dabei herauskommt, und wissenschaftliche Untersuchungen durchführen“, sagt er. „Ich habe mich darauf konzentriert, dafür zu sorgen, dass alles funktioniert, damit das gelingt.“
Der Weg dorthin erfordert viel Arbeit hinter den Kulissen an der Kamerainfrastruktur. „Wenn man von den Sensoren aus rückwärts arbeitet, müssen sie kalt sein, damit sie funktionieren. Sie müssen eine Temperatur von minus 100 Grad Celsius oder -148 Grad Fahrenheit haben, und die Temperatur darf nicht bei minus 100 Grad liegen, es sei denn, das ist der Fall.“ in einem Vakuum, und wir müssen über Macht und Kommunikation verfügen und die Daten müssen fließen.“
An dieser Stelle bedeutet das viel Testen und, falls etwas nicht stimmt, das Ausprobieren verschiedener Ideen, um die Ursache eines Problems zu identifizieren und eine Lösung zu finden. Marshall sagt beispielsweise, dass er im letzten Jahr viel Zeit damit verbracht habe, das Vakuumsystem zu aktualisieren, um seine Zuverlässigkeit zu verbessern. Aus diesem Grund hat das Kamerateam einige Ventile geändert und die Software aktualisiert, um das System narrensicherer zu machen. „Wenn man sich in der Mitte der Teleskopkuppel auf dem Gipfel eines Berges in 9.000 Fuß Höhe befindet, ist es einfacher, einen Fehler zu machen“, sagt Marshall, da in der Höhe weniger Sauerstoff vorhanden ist und sich mehr Dinge bewegen als im Reinraum des SLAC . „Deshalb versuchen wir sicherzustellen, dass das System Fehler erkennen kann, bevor Schaden entsteht. Davon ist sehr viel in das gesamte Kamerasystem eingebaut.“
Vorbereiten der Kamerasteuerung für die Crunch-Zeit
Eine vielleicht subtilere Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die gesamte Kamerasoftware so gut wie möglich funktioniert, sagt der leitende Wissenschaftler Tony Johnson. Johnson arbeitet an der Kamerasteuerungssoftware, die sie ein- und ausschaltet, auf ungewöhnliche Bedingungen reagiert, Kameraparameter nach Bedarf anpasst und sie abschaltet, wenn etwas besonders schief geht. Er arbeitet auch mit dem Datenerfassungssystem, das Daten von den Kamerasensoren erfasst und in die Welt sendet.
„Zu diesem Zeitpunkt ist größtenteils alles fertig, aber unzählige Dinge können verbessert werden“, sagt Johnson. „Können wir zum Beispiel jedes Mal innerhalb von zwei Sekunden zuverlässig ein Bild aus dem Datenerfassungssystem schreiben, oder dauert es manchmal etwas länger, und manchmal verursacht das ein Problem?“
Deshalb, sagt Johnson, arbeiten er und sein Team daran, solche Probleme aufzuspüren, die Software oder Hardware betreffen können, und sicherzustellen, dass alle Teile wie erwartet zusammenarbeiten.
Ein weiteres Thema, an dem Johnson arbeitet: Sicherstellen, dass die Kamera wie erwartet funktioniert, sobald sie nach Chile gereist ist, wo sie auf dem Simonyi Survey Telescope am Rubin-Observatorium sitzen und ihre Arbeit aufnehmen wird.
„Ein Aspekt dabei ist, dass die Kamera von einer relativ kleinen Gruppe von Leuten gebaut wurde und es eine relativ kleine Gruppe von Leuten gibt, die sich mit jedem Teil der Kamera auskennen“, sagt Johnson. „Was wir brauchen, um an die Spezialisten zu übergeben, die das Observatorium Tag und Nacht betreiben, müssen wir einen angemessenen Wissenstransfer leisten.“ Teilweise ist das eine Frage der Dokumentation, aber es bedeutet auch, mit den Wissenschaftlern in Chile zusammenzuarbeiten, um potenzielle Probleme zu identifizieren, die Software weiter zu verbessern und das System insgesamt zuverlässiger zu machen.
„Es ist eine Herausforderung, aber meistens ist es eine spannende Herausforderung“, sagt Johnson. „Ich denke, die meisten von uns, die die Kamera bauen, bauen sie nicht nur, weil wir gerne Hardware oder Software bauen, auch wenn wir diese Dinge vielleicht tun. Wir bauen sie, weil wir das Endziel darin sehen, neue wissenschaftliche Erkenntnisse hervorzubringen.“ davon.“