Construire le plus grand appareil photo numérique jamais conçu pour l’astronomie, la Legacy Survey of Space and Time Camera de l’Observatoire Vera C. Rubin, n’est pas une tâche simple, c’est évident.
La caméra est dotée d’un réseau de capteurs de 3 200 mégapixels, de certains des objectifs les plus grands jamais construits et d’une électronique complexe destinée à extraire un océan de données astrophysiques de la caméra et à l’envoyer dans le monde.
Ce qui est peut-être moins évident, c’est la quantité de travail nécessaire pour garantir le bon fonctionnement de la caméra, construite au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC du ministère de l’Énergie. Le système a été, après tout, conçu sur mesure pour scruter notre univers plus largement et plus profondément que n’importe quelle caméra auparavant. Et, ce faisant, diriger les efforts visant à comprendre la matière noire et l’énergie noire. Transformer des projets et des conceptions aussi ambitieux en réalité nécessitera quelques essais et erreurs et de nombreux étalonnages et tests.
Ici, trois membres de l’équipe responsable de tous ces étalonnages et tests parlent de ce qui a permis de rendre la caméra LSST la meilleure possible.
Améliorer encore davantage des images époustouflantes
Selon Yousuke Utsumi, chercheur au LSST Camera, l’un des principaux défis consiste à « convertir les images en connaissances scientifiques ». Après tout, l’appareil photo n’est pas conçu uniquement pour prendre de jolies photos, mais plutôt pour créer une carte précise de l’univers, ce qui nécessite de prendre des images détaillées et précises de galaxies lointaines. « Nous voulons mesurer précisément les galaxies pour comprendre la nature de la matière noire. »
Cela nécessite plus que des objectifs et des capteurs spécialement conçus, explique Utsumi, car peu importe la qualité de conception et de construction de ces composants, il y aura des imperfections. Par exemple, considérons une image prise par un appareil photo ordinaire : il y aura toujours des distorsions de forme et de couleur près des bords. Il y aura également de légères distorsions dans les capteurs numériques, et des effets similaires seront valables pour la caméra LSST. « Nous devons comprendre ce qui se passe là-bas pour pouvoir y remédier. »
Utsumi et son équipe ont pris des milliers d’images pendant trois mois avec les capteurs de la caméra LSST de toutes sortes de formes et de motifs. Ils ont ensuite comparé les images de l’appareil photo avec les originaux pour comprendre comment corriger les distorsions ou les erreurs. L’équipe a également travaillé sur la manière de corriger d’autres problèmes, tels que le fait que les objets plus brillants semblent plus grands qu’ils ne le sont en réalité, ainsi que les « fantômes », ou images d’un objet qui apparaissent en raison de la diaphonie électronique entre les capteurs de la caméra.
« Nous en savons beaucoup sur la caméra maintenant, donc ce sera passionnant de voir comment elle fonctionne sur le télescope », déclare Utsumi.
Construire une caméra plus infaillible
Bien que le travail d’Utsumi soit essentiel pour que l’appareil photo fonctionne au mieux, les capteurs et les objectifs ne sont que deux ensembles de composants dans un appareil photo de la taille d’un petit SUV. La caméra dispose d’un système de réfrigération et de vide, de plusieurs ordinateurs embarqués et d’un ensemble d’autres appareils électroniques qui surveillent et contrôlent le fonctionnement de la caméra.
Stuart Marshall, physicien des opérations de la caméra LSST, est chargé de s’assurer que tous ces systèmes fonctionnent correctement. « Une fois que tout fonctionne correctement, nous pouvons rester là à prendre des données, et il y a une petite armée de personnes pour examiner ce qui sort et faire de la science », dit-il. « Je me suis concentré sur le fait que tout fonctionne pour que cela se produise. »
Y arriver signifie beaucoup de travail en coulisses sur l’infrastructure des caméras. « Si vous travaillez à rebours à partir des capteurs, pour qu’ils fonctionnent, ils doivent être froids. Ils doivent être à moins 100 degrés Celsius, ou -148 degrés Fahrenheit, et vous ne pouvez pas être à moins 100 degrés à moins d’être dans le vide, et nous devons avoir du pouvoir et de la communication et les données doivent circuler. »
À ce stade, cela signifie beaucoup de tests et, en cas de problème, essayer différentes idées pour identifier la cause d’un problème et trouver une solution. Par exemple, dit Marshall, il a consacré beaucoup de temps au cours de la dernière année à mettre à jour le système de vide pour améliorer sa fiabilité. En conséquence, l’équipe de caméra a modifié certaines vannes et mis à jour le logiciel pour rendre le système plus infaillible. « Si vous êtes au sommet d’une montagne à 9 000 pieds d’altitude, au milieu du dôme du télescope, il est plus facile de se tromper », car il y a moins d’oxygène en altitude et plus de choses en mouvement que dans la salle blanche du SLAC, explique Marshall. . « Nous essayons donc de nous assurer que le système peut détecter les erreurs avant que des dommages ne soient causés. Il y en a énormément dans l’ensemble du système de caméra. »
Préparer les commandes de la caméra pour les moments critiques
Selon Tony Johnson, scientifique principal, un défi peut-être plus subtil consiste à s’assurer que tous les logiciels de la caméra fonctionnent aussi bien qu’ils le peuvent. Johnson travaille sur le logiciel de contrôle de la caméra, qui l’allume et l’éteint, réagit aux conditions anormales, ajuste les paramètres de la caméra selon les besoins et l’éteint si quelque chose ne va vraiment pas. Il travaille également avec le système d’acquisition de données, qui extrait les données des capteurs de la caméra et les envoie au monde entier.
« À ce stade, tout est pratiquement terminé, mais une myriade de choses peuvent être améliorées », déclare Johnson. « Par exemple, pouvons-nous écrire de manière fiable une image à partir du système d’acquisition de données en deux secondes à chaque fois, ou est-ce que cela prend parfois un peu plus de temps, et parfois cela pose un problème ? »
Ainsi, dit Johnson, lui et son équipe travaillent pour détecter de tels problèmes, qui peuvent impliquer des logiciels ou du matériel, et s’assurer que tous les éléments fonctionnent ensemble comme prévu.
Un autre problème sur lequel Johnson travaille : s’assurer que la caméra fonctionnera comme prévu une fois qu’elle aura effectué son voyage au Chili, où elle sera installée au sommet du télescope d’enquête Simonyi à l’observatoire Rubin et commencera son travail.
« L’un des aspects de cela est que la caméra a été construite par un groupe assez restreint de personnes, et il existe un groupe assez restreint de personnes expertes dans chaque partie de la caméra », explique Johnson. « Ce dont nous avons besoin, c’est de confier la transition aux spécialistes qui feront fonctionner l’observatoire jour et nuit. Nous devons donc procéder à un transfert de connaissances important. » C’est en partie une question de documentation, mais cela signifie également travailler avec les scientifiques chiliens pour identifier les problèmes potentiels, continuer à améliorer les logiciels et, de manière générale, rendre le système plus fiable.
« C’est un défi, mais la plupart du temps, c’est un défi passionnant », déclare Johnson. « Je pense que la plupart d’entre nous qui construisons la caméra ne la construisent pas seulement parce que nous aimons construire du matériel ou des logiciels, même si nous pouvons faire ces choses. Nous la construisons parce que nous voyons l’objectif final de faire sortir de nouvelles connaissances scientifiques. de cela. »