世界上最大的数码相机就快组装完成，深空探索之旅即将展开

　　终于，“时空遗产调查”相机将在智利的高山之巅以高分辨率开始扫描夜空。

　　

　　上图：无人机拍摄的照片显示，2021年7月，智利正在建设维拉·鲁宾天文台。

　　在一个以前用于粒子物理实验的旧实验大厅里，一个法国工程师团队正在检查有史以来最大的数码相机的滤光片。2021年10月，在加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室里相机正在进行最后的组装过程。当这台高分辨率成像仪最终投入使用时，它将为我们提供宇宙深处令人惊叹的景象。

　　该仪器是时空遗产调查（LSST）相机。这台 3.2 吉像素（32 亿像素）的相机最终将安装在智利山顶的维拉鲁宾天文台，在那里它将每三天拍摄半个南方天空。它将为天文学家、天体物理学家和宇宙学家提供大约每周一次的天空区域的完整图像。

　　负责相机组装和测试的首席科学家、天体物理学家亚伦·鲁德曼（Aaron Roodman）告诉我们：“我们将在天空的某个区域内，看到比人们以前看到的更暗的物体。很多人做过很深入的研究，但他们只在很小的天空区域内。而新的望远镜将能够在一大片区域内观测到很远很远的地方 —— 从时空角度来说，也就是过去。”

　　这些每周的照片将组成“时空遗产调查”（Legacy Survey of Space and Time），这是一项为期10年的对南方天空的调查，将收集有关太空中物体的形状、位置和颜色的数据，包括数百万颗恒星和数十亿个星系。这些每15秒拍摄一次的图像，将使研究人员密切关注近地小行星，了解银河系的起源和演化，了解暗物质和暗能量的本质，并有可能发现宇宙中全新的现象。

　　

　　上图：相机的组件正在SLAC国家加速器实验室的一间无尘室中进行组装。

　　天体物理学家兼鲁宾天文台台长史蒂文·卡恩（Steven Kahn）解释道：“最重要的是尽快获得尽可能多的天空，并反复这么做。简单地说，它会告诉我们‘发生了什么变化？它是如何改变的？’，我们将完全掌握这一切。”

　　相机图像的规律性，将有效地提供对太空中近距离和远距离事件的实时了解，让人们全面了解我们的宇宙到底有多动态。

　　LSST相机有六个像转盘一样旋转的滤光片，可以根据特定夜晚的光线条件和工作人员试图捕捉的物体进行切换。滤光片可以让相机在六个不同波段的电磁光谱中拍摄天空，从近紫外波段到近红外波段。

　　

　　上图：相机的低温恒温器，焦平面位于底部白色盒子的真空中。

　　最初的计划是在 2014 年之前在智利安装该相机，但该相机的生产因延误而受到阻碍，最近一次推迟是由于 covid-19。天体物理学家亚伦·鲁德曼认为，即使没有新冠大流行的挑战，管理如此庞大的跨学科科学家和工程师团队“就像放牧一样”。但现在，一切终于走到了一起。

　　鲁宾天文台台长史蒂文·卡恩则表示：“如果不是因为新冠肺炎，我们可能会在一年前就发货了。但在这个阶段，由于一切都已经接近组装完成，所以一切都很关键。”

　　相机的前端由三个镜头和使用的滤镜组成，相对简单。但在它的后面是5.5英尺宽、10英尺长相机的核心部分：焦平面，也就是望远镜镜面投射光线的区域。

　　焦平面由189个电荷耦合器件（CCD）组成，这些CCD分成21组，每组9个，全部在接近零下150华氏度的真空中冷却，以减少图像中的噪声，从而提高相机的灵敏度。每个2英尺长的CCD顶部都有正方形的传感器，这些传感器构成了焦平面，焦平面非常平坦，它向任何方向的倾斜都不会超过10微米（人类的头发直径约为70微米）。CCD本身基本上就是数码相机；它们以九个一组的形式聚集在一起，拍摄天空的马赛克图像。这项技术将吸收望远镜三面反射镜反射的所有光线。

　　把焦平面组合在一起就像驯服一头野兽。大量的 CCD 需要非常平整，且非常靠近地排列成一个阵列，但它们实际上又不能相互接触，以避免损坏其中任何一个。鲁宾天文台台长史蒂文·卡恩解释道：“如果存在间隙，我们只是在浪费光。星星会落入那个空间，然后我们将无法获得数据。将焦平面组装起来，就像在四周间隙不到一厘米的空间中停放一辆豪华汽车。 而且，每个组件都比一辆玛莎拉蒂贵，这使得组装（在 SLAC 的洁净室中进行）是一个压力很大的过程。” 去年，该团队在花椰菜头上测试了完成的焦平面。

　　一旦到达智利，相机将位于三个镜子之间；上面一个，下面两个。主镜宽27.56英尺（8.4 米），三级镜宽16.4英尺（5 米）。据鲁宾天文台团队称，它们之间的副镜宽11.2英尺（3.42 米），是有史以来最大的凸面镜。

　　焦平面实际上会指向地面，来捕捉太空的图像。来自夜空的光线将从较低的一面镜子反射到较高的凸面镜，然后向下反射到最后一面镜子，最后反射到相机中。

　　

　　上图：工作人员检查相机的滤光片更换装置，该装置将允许相机捕捉特定的波长。

　　在 SLAC 国家加速器实验室，工程师们在一间定制的洁净室里工作，穿着特殊的靴子和兔子服，以避免把任何外部灰尘或碎屑带到相机附近。这座建筑曾经用于反物质研究。 当鲁宾天文台的相机团队搬进来时，他们不得不处理这个堆满了旧仪器的“坟墓”。洁净室建在类似衣架的实验大厅内，高度足以安装一台起重机。据了解，将所有的低温恒温器（包含所有过冷元素并保持这些温度的太空舱）和电子元器件的后备箱插入相机的那一刻，最有可能在2022年2月。

　　总有一天，相机会来回旋转，每晚都会产生大量数据。但首先，必须使它安全可靠地送到鲁宾天文台。计划是在2022年夏末将相机送到智利。可以理解，团队对这次旅行感到的压力是非常大的。刚刚过去的这个夏天，他们向智利发送了一个相机替代品，称为大规模替代相机，以测试这种精致的相机在运输过程中可能会遇到的冲击。替代相机看起来很像一个集装箱，但具有与 LSST 相机相同的质量和重心。它还配备了传感器来测量它在旅途中经历了多少震动。

　　

　　上图：研究人员不想让这些滤光片有任何风险，它们被打包在这里。

　　实际上，鲁宾天文台有四个主要的科学目标：太阳系及其周围数以百万计的物体；我们的家乡银河系的结构和形成；天空中多变的物体，比如宇宙爆炸和其他转瞬即逝的事件；以及探索暗物质和暗能量的本质，维拉·鲁宾（Vera Rubin）在20世纪中叶用引力观测到了暗物质和暗能量的本质。

　　到时候，每天晚上相机都会输出15TB的数据，内容包括它所看到的物体的亮度、位置、形状和颜色。鲁宾天文台将每晚发出1000万条关于其中信息的自动警报。过去，天文学家、天体物理学家和宇宙学家是依赖于有关太空中新的有趣现象的电子邮件更新和其他通知。鲁宾天文台台长史蒂文·卡恩表示：“真正的挑战实际上是每晚过滤这1000万条信息。你怎么才能发现真正不寻常的东西，把小麦和谷壳区分开来呢？”在一定程度上，过滤过程将是自动化的。但是，最重要的事件将能够立即被挑选出来，并传播出去。所以，世界各地的其他天文台将能够在瞬间得到一个有趣的事件的通知。要知道，来自更多仪器的数据是越多越好。

　　除了相机的巨大分辨率，它的视野（大到足以覆盖40个满月的星体区域）将彻底改变科学家在宇宙中找出模式的能力。有了如此频繁的图像横跨如此大的天空，该团队可以有效地跟踪海量的物体是如何随着时间的推移而变化的。它就相当于一部关于（南半球）可观测宇宙的定格电影。

　　用这样一台超锐利的相机看到一些事件会特别令人兴奋，比如透镜事件，当光线被大质量物体的引力场弯曲时就会发生。在强透镜效应中，光在到达地球的途中会在物体周围剧烈弯曲，以至于它在不同的时间到达地球，从而导致同一光源的双重或三重视野。这就是安魂曲超新星的情况，从我们的角度来看，它在2016年闪烁了三次。

　　

　　上图：哈勃太空望远镜捕捉到的透镜现象。LSST摄像机将捕捉更多。

　　暗物质是一种神秘的物质，它似乎构成了宇宙的大部分，但实际上却无法被观测到，它也是鲁宾天文台的一个天然目标。

　　科学家们也仍然不确定是什么驱动了宇宙的加速膨胀，或者为什么哈勃参数的计算是不同的，这取决于你是使用近距离物体还是宇宙微波背景来测量它。

　　鲁宾天文台台长史蒂文·卡恩表示：“我们有着这些巨大的谜团。但与此同时，我们有一个粒子物理学的标准模型和一个宇宙学的标准模型，这都非常成功的，经过了非常充分的测试，在数量上也非常成功。但它们真的没有任何意义。但能直接进行观测肯定是必要的，因为这些数学预测根本不可能如此精确地实现。”

　　遗憾的是，这款相机将不得不处理人为污染：即卫星星座，如 SpaceX 的 Starlink，它们可能会出现在 LSST 相机拍摄的多达 30% 的图像中。通过的卫星，可能会模糊数据，甚至成为它们自己的误导性数据点。测量潜在天文干扰的科学团队表示，这种新相机“需要接触到原始的、未受污染的夜空，数千年来，这一直是地球居民与生俱来的权利”。

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