Wenn das Vera C. Rubin-Observatorium in einigen Jahren mit der Aufnahme von Bildern des Nachthimmels beginnt, wird seine Herzstück-Kamera Legacy Survey of Space and Time mit 3.200 Megapixeln einen enormen Datenschatz produzieren, der für jeden wertvoll ist, von Kosmologen bis hin zu Menschen, die Asteroiden verfolgen, die mit der Erde kollidieren könnten.
Möglicherweise haben Sie bereits darüber gelesen, wie das Simonyi Survey Telescope des Rubin-Observatoriums Licht aus dem Universum sammeln und auf die LSST-Kamera des Energieministeriums richten wird, wie Forscher die von der Kamera stammenden Daten verwalten und welche unzähligen Dinge sie ausprobieren werden um etwas über das Universum um uns herum zu erfahren.
Was Sie wahrscheinlich noch nicht gelesen haben, ist, wie Forscher diesen Berg unglaublich detaillierter Bilder von der Rückseite der größten Digitalkamera der Welt über Glasfaserkabel in die Computer bekommen, die sie vom Cerro Pachón in Chile in die Welt schicken Welt.
Gregg Thayer, ein Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, ist für das Datenerfassungssystem von Rubin verantwortlich, das diesen wesentlichen Prozess abwickelt. Hier führt er uns durch einige der wichtigsten Schritte.
Das Datenerfassungssystem beginnt direkt hinter der Fokusebene, einem Verbund aus 189 digitalen Sensoren, die zum Aufnehmen von Nachthimmelbildern verwendet werden, sowie mehreren weiteren, die zum Ausrichten der Kamera beim Aufnehmen von Bildern verwendet werden. 71 Platinen nehmen die Rohpixel von den Sensoren und bereiten sie für den nächsten Schritt vor.
An diesem Punkt müssen zwei Dinge passieren. Zuerst müssen die Daten aus dem Kryostaten herauskommen, einem Hochvakuum-, Niedertemperatur- und, wie Thayer sagt, „vollgestopften“ Hohlraum, der die Fokusebene und die umgebende Elektronik beherbergt. Zweitens müssen die Daten in optische Signale für die Fasern umgewandelt werden, die zur Basis der Kamera führen.
Weil im Inneren des Kryostaten so wenig Platz ist, beschlossen Thayer und sein Team, die Schritte zu kombinieren: Elektrische Signale treten zuerst in Leiterplatten ein, die die Rückseite des Kryostaten durchdringen. Diese Leiterplatten wandeln die Daten in optische Signale um, die direkt außerhalb des Kryostaten in Glasfaserkabel eingespeist werden.
Warum Glasfaser? Daten werden unweigerlich zu Rauschen, wenn Sie entlang eines Signalkabels weit genug gehen, und das Kabel muss hier lang sein – ungefähr 150 Meter oder 500 Fuß – um von der Spitze des Teleskops bis zur Basis zu gelangen. Das Problem wird durch eine Datenrate von drei Gigabit pro Sekunde verschlimmert, die etwa hundertmal schneller ist als das Standard-Internet; geringer Stromverbrauch an der Quelle, um die Wärme in der Nähe der Digitalkamerasensoren zu reduzieren; und mechanische Einschränkungen, wie z. B. enge Biegungen, die Kabelverbindungen erfordern, bei denen mehr Signal verloren geht. Thayer sagt, dass Kupferdrähte, die für elektrische Signale ausgelegt sind, Daten nicht schnell genug über die erforderlichen Entfernungen übertragen können, und selbst wenn sie könnten, sind sie zu groß und schwer, um die mechanischen Anforderungen des Systems zu erfüllen.
Sobald das Signal von der Kamera heruntergekommen ist, wird es in 14 Computerplatinen eingespeist, die am SLAC als Teil eines Mehrzweck-Datenerfassungssystems entwickelt wurden. Jedes Board ist mit acht integrierten Verarbeitungsmodulen und 10-Gigabit-pro-Sekunde-Ethernet-Switches ausgestattet, die die Boards miteinander verbinden. (Jedes Board wandelt auch die optischen Signale wieder in elektrische um.) Drei dieser Boards lesen die Daten von der Kamera aus und bereiten sie darauf vor, den Berg hinunter und an die US-Dateneinrichtung bei SLAC und eine weitere in Europa gesendet zu werden. Drei weitere emulieren die Kamera selbst – im Wesentlichen ermöglichen sie den Forschern, die an dem Projekt arbeiten, das Erfassen von Daten zu üben, Diagnosen durchzuführen und so weiter, wenn die Kamera selbst nicht verfügbar ist, sagt Thayer.
Die letzten acht Bretter dienen einem entscheidenden, aber leicht zu übersehenden Zweck. „Es gibt ein Kabel, das vom Gipfel den Berg hinunter nach La Serena führt, wo es über das Langstreckennetz zu den US-amerikanischen und europäischen Dateneinrichtungen gelangen kann“, sagt Thayer. „Wenn dieses Kabel aus irgendeinem Grund durchtrennt wird, können wir die Daten von bis zu drei Tagen zwischenspeichern, damit das Teleskop während der Reparatur weiterarbeiten kann.“
Von der Basis des Teleskops geht es noch ein letztes Stück den Berg hinunter, und dann ist die Datenerfassung abgeschlossen. Es ist an der Zeit, dass die Daten in die Welt hinausgehen.