Обсерватория Веры Рубин призвана произвести революцию в астрономии

В 3 часа ночи морозным майским вечером в Чили казалось, что с самой большой в мире цифровой камерой все в порядке. Но это оказалось не так.

В новой обсерватории имени Веры С. Рубин Сандрин Томас проводила тесты. Как научный сотрудник проекта, она должна поддерживать работу установки. Но внезапно линия, показывающая температуру камеры телескопа, изменилась. Она была ровной. Теперь она начала резко повышаться.

“Это выглядит плохо”, — подумал Томас. И она была права.

Обеспокоенные ученые быстро выключили телескоп.

Я прибыл на место несколькими часами позже. Я был измотан из-за смены часовых поясов, но мне не терпелось увидеть обсерваторию. Он расположен на высокой горе с плоской вершиной под названием Серро Пачон. С этого возвышения открывается уникальный вид на космос.

Благодаря широкому и глубокому обзору неба Рубин может наблюдать некоторые из самых медленных процессов во Вселенной. Например, объединение галактик. Или расширение космоса. Каждые пару ночей Рубин также составляет карту всего южного неба. Это позволяет ему отслеживать некоторые из самых быстрых событий в мире, такие как взрывы звезд.Купол Рубина открывается, чтобы камера могла наблюдать за небом. Затем он закрывается, чтобы защитить хрупкий телескоп от непогоды.RubinObs/NSF/DOE/NOIRLab/SLAC/AURA, Х. Стокбранд

В течение следующих 10 лет Rubin планирует сделать 2 миллиона снимков. Это позволит охватить больше космоса, чем любой другой телескоп. “Впервые в истории количество занесенных в каталог небесных объектов превысит количество ныне живущих людей!” — писали астрономы в 2019 году.

Одним из таких астрономов был Желько Ивезич из Вашингтонского университета в Сиэтле. Он руководил строительством «Рубина», на которое ушли десятилетия.

Вселенная хранит так много загадок. “Чтобы ответить на них, вам нужно что-то похожее на «Рубин», — говорит Ивезич. “Здесь нет конкуренции”.

Но сначала Томас и ее команда должны были вернуть камеру в рабочее состояние.

Кем была Вера Рубин?

Астроном Вера Рубин сыграла ключевую роль в открытии темной материи.Астроном Вера Рубин обнаружила свидетельства существования темной материи в 1970-х годах. Вот она за работой, управляет 0,9-метровым телескопом в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне.Научный институт Карнеги/Лаборатория Нуара (CC BY 4.0)

В 1970-х годах Рубин наблюдал звезды, вращающиеся вокруг спиральных галактик. Можно было бы ожидать, что звезды, расположенные ближе к краю галактики, вращаются медленнее, чем звезды, расположенные ближе к середине. Но это не то, что увидели Рубин и ее коллега Кент Форд. Они заметили, что звезды на краях спиральных галактик вращаются вокруг центров галактик довольно быстро. На самом деле, настолько быстро, что эти звезды должны были быть выброшены в космос.

Как такое могло случиться? Должно быть, гравитация какой-то невидимой материи притягивает эти быстрые звезды, удерживая галактики вместе. Это невидимое вещество стало известно как “темная материя”. Астрономы видели намеки на таинственное вещество на протяжении десятилетий. Но данные Rubin, наконец, помогли убедить научное сообщество в том, что они должны быть реальными.

От темной материи до астероидов

Идея построить Rubin возникла во время очередного трехчасового дежурства. Это было в 1996 году. Это произошло на горе, расположенной по соседству с Серро Пачон.

Астроном Тони Тайсон и его коллеги только что установили новую камеру для телескопа на вершине Серро Тололо. В этой камере использовалась довольно новая на тот момент технология: устройства с зарядовой связью, или ПЗС-матрицы. Эти чипы преобразуют частицы света, или фотоны, в электроны. Затем электроны можно преобразовать в изображение источника света.

Несколько ПЗС-дисков, расположенных в виде лоскутков на одеяле, работают как одна большая камера. Чем больше камера, тем четче получаются изображения.

Давайте узнаем больше о темной материи

В то время камера Тайсона была самой мощной в мире. Она состояла из четырех ПЗС-матриц. Он и его коллега создали ее для картографирования темной материи. Считается, что это загадочное вещество составляет 80 процентов массы Вселенной. Астрономы не знают, что это такое. Но они считают, что оно существует, потому что его гравитация воздействует на объекты, которые мы можем видеть. (Один из таких эффектов был обнаружен астрономом Верой Рубин, однофамилицей новой обсерватории.)

Однажды вечером, когда Тайсон и несколько других астрономов сидели в диспетчерской телескопа, у Тайсона возникла идея. “Ребята, мы можем сделать что-то получше”, — сказал он. Теоретически, они могли бы создать большое количество ПЗС-дисков, чтобы создать гораздо более мощную камеру для телескопа.

Компьютеры становились все лучше и быстрее. Они могли бы справиться с таким растущим потоком данных.

Тайсон сделал эту новую обсерваторию своим любимым проектом.

“Я назвал ее телескопом темной материи”, — говорит он. Но то, что он задумал, могло бы дать гораздо больше, чем просто составить карту темной материи. Это также могло бы исследовать “вселенную объектов, которые движутся и взрываются”, — говорит Тайсон. Представьте себе пролетающие мимо астероиды, пульсирующие звезды и черные дыры, поглощающие материю. Телескоп мог бы отобразить миллионы объектов в нашей Солнечной системе, а за ее пределами — миллиарды галактик.

В 2010 году астрономическое сообщество поставило этот проект на первое место в списке своих пожеланий, которые должны были быть профинансированы правительством США. И их желание исполнилось. Эта обсерватория была запущена в эксплуатацию.

Скажите “moon cheese”

Обсерватория построена на базе крупнейшей в мире цифровой камеры.

SLAC, адаптированный Б. Прайсом; RubinObs/NOIRLab/SLAC/DOE/NSF/AURA, адаптированный Б. Прайсом SLAC, адаптированный Б. Прайсом; RubinObs/NOIRLab/SLAC/DOE/NSF/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Его детектор состоит из сетки датчиков (см. ниже). Каждый из них имеет ширину около 4 сантиметров (1,5 дюйма). Они сгруппированы в 21 “плот” по девять датчиков в каждом. В совокупности их поле зрения охватывает участок неба, на котором могли бы поместиться 45 полных лун.SLAC, адаптированный Б. Прайсом; RubinObs/NOIRLab/SLAC/DOE/NSF/AURA, адаптированный Б. Прайсом SLAC, адаптированный Б. Прайсом; RubinObs/NOIRLab/SLAC/DOE/NSF/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Установщик рекордов

Обсерватория Рубина располагает самой большой цифровой камерой из когда-либо созданных. Он весит около 3000 килограммов (6600 фунтов). При ширине 1,65 метра (5,4 фута) он имеет 189 ПЗС-камер. Его датчик освещенности содержит примерно столько же пикселей, сколько 260 камер смартфонов.

У Rubin также есть огромный, необычный набор зеркал. Телескоп построен так, как это делают большинство телескопов: основное зеркало шириной 8,4 метра (27,5 футов) собирает очень много света. Это зеркало отражает свет на дополнительное зеркало. Его ширина составляет 3,5 метра (11,5 футов). Третье зеркало фиксирует любые искажения в собранном свете.

Цифровая камера размером с автомобиль подвешена посередине дополнительного зеркала. К тому времени, когда свет попадает туда, каждая точка кажется острой, как игла.

Зеркало, зеркальце (mirror)

Телескоп Рубина использует уникальный набор из трех зеркал. Два из них сделаны из цельного куска стекла. Свет попадает на основное зеркало шириной 8,4 метра (27,5 футов). Он отражается от расположенного над ним дополнительного зеркала высотой 3,5 метра (11,5 футов). Затем свет отражается от внутреннего, 5-метрового (16-футового) третьего зеркала. Наконец, свет проходит через отверстие во вторичном зеркале и попадает в камеру.RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Каждые три-четыре дняRubin будет наблюдать все ночное небо, видимое в Южном полушарии. Затвор камеры открывается на 30 секунд для каждого снимка, что позволяет делать по 1000 снимков за ночь — каждую ночь в течение 10 лет.

Обычно в диспетчерской слышно, как щелкает затвор всю ночь напролет.Томас находит этот звук успокаивающим. “Когда ничего не слышно, — говорит она, — возможно, что-то не так”.

Зеркала в доме развлечений

Чтобы добраться до Серро Пачон, я прилетела в приморский город Чили из Ла-Серены. Оттуда местный водитель отвез меня в горы глинистого цвета. По мере того, как мы поднимались все выше и выше, я не сводил глаз с куполов телескопов, мерцающих вдалеке. Я не мог перестать улыбаться.Высокое сухое место вдали от городских огней — идеальное место для телескопа. На вершине этого хребта воздух был таким сухим, что я чувствовал, как у меня пересыхают ноздри и горло. Воздух был таким прозрачным, что я мог видеть на мили вокруг. Ландшафт был усеян скалами и низкорослыми растениями, а также редкими дикими лошадьми или вискачами. (Это местный грызун, которого Томас описал как кролика с беличьим хвостом.)

Поскольку обсерватория все еще строилась, нам пришлось надеть светоотражающие желтые жилеты и каски. Некоторые члены съемочной группы обклеили свои каскинаклейки, в том числе сделанные на заказ Верой Рубин.

В течение почти года, планируя этот визит, я с нетерпением ждала возможности увидеть массивный телескоп в действии. Примерно за месяц до этого он впервые заснял излучение и с тех пор собирал данные каждую ночь. Предполагалось, что я увижу, как телескоп сделает несколько первых полных снимков.

Но я прибыл на место через восемь часов после того, как показания температуры камеры вышли из строя. Телескоп был выключен. Когда Томас повел меня на экскурсию, все сооружение было неподвижно.

По пути к куполу мы прошли мимо съемочной группы. “Моя камера уже двигается?” — Весело спросил Томас у съемочной группы. “Сделай так, чтобы это сработало!” (Затем она повернулась ко мне: “Мы стараемся настроиться позитивно, но мы все очень расстроены”.)

Нет худа без добра, у меня был отличный обзор необычного главного зеркала. Вглядываться в него было все равно, что смотреть на отражение в зеркале аттракциона. Я покачался взад-вперед, затем присел на корточки и медленно встал, чтобы посмотреть, как меняются очертания. Это было головокружительно.

Четыре причины полюбоваться ночным небом

Проект обсерватории «Рубин» был продиктован четырьмя основными научными целями. Они показаны на одном из первых опубликованных изображений, сделанных телескопом.

Программа Census Taker
В рамках программы Rubin wide and deep sky survey будет отслеживать около 20 миллиардов звезд и тысячи экзопланет. Ожидается также, что он обнаружит около 20 миллиардов ранее неизвестных галактик (некоторые известные из них помечены зеленым цветом). Это даст новые ключи к пониманию того, как образуются галактики.

RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA, адаптированный Б. Прайсом

В системе
Rubin увеличит количество известных астероидов (новые показаны синими точками) в 10 раз до 100. Он также может обнаруживать объекты, посещающие нашу Солнечную систему из других звездных систем. «Рубин» может даже обнаружить массивную девятую планету во внешней части Солнечной системы, если она существует.

RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Обнаружение темноты
Исследования нашей галактики Рубином и других объектов позволят составить точную карту космоса. Это может помочь ученым выяснить, из чего состоят темная материя и темная энергия. Темная материя — это невидимый материал, который составляет около 80 процентов материи в космосе. Темная энергия — это таинственное вещество, разделяющее Вселенную на части.

RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Быстрый и мимолетный
Rubin сможет запечатлеть все, что движется и изменяется в небе. Это включает в себя пульсирующие звезды (обведенные кружком), питающие черные дыры и сверхновые.

RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA, адаптированный Б. Прайсом

Сохраняем спокойствие

Загадка сбоя камеры побудила Томаса и ее команду исследовать ключевой аспект этого конструкция телескопа: контроль температуры.

Камеру следует хранить в холодном месте. Нагревание может привести к высвобождению электронов из ПЗС-матрицы, имитирующих световые сигналы от объектов в космосе.Металлическая “криопластина” с температурой -123 градуса по Цельсию (-189,4 градуса по Фаренгейту) закрывает детектор. За ней расположена еще одна “холодная” пластина с температурой -40 градусов по Фаренгейту. Трубопроводы для охлаждения жидкостей проходят через камеру. Даже внешняя сторона сверкающего купола спроектирована таким образом, чтобы отражать теплый солнечный свет от телескопа.Томас и ее команда стремились выяснить, почему в 3 часа ночи криокамера внезапно нагрелась. Rubin хорошо работал в течение последнего месяца. Это был его первый кризис.

Но последствия могут быть хуже, чем просто обнаружение фальшивых фотонов. По мере того, как холодный корпус, в котором хранятся ПЗС-диски, нагревается, давление также повышается. Материалы, находящиеся в камере, могут выделять газы, которые могут повредить систему.

Вероятность этого “довольно низкая”, — сказал мне Шон Макбрайд во время моего визита. “Но последствия довольно серьезные». По его словам, это “входит в пятерку самых страшных вещей, которые могут случиться с камерой”.

Макбрайд работает в Цюрихском университете в Швейцарии и является научным сотрудником Rubin. Эта работа включает в себя тестирование всех частей телескопа и понимание того, как все работает, прежде чем он начнет собирать данные.

Пояснение: Телескопы видят свет, а иногда и древнюю историю

К полудню камера, казалось, вернулась в нормальное состояние все само по себе. «Это был ключ к разгадке», — сказал Кевин Фаннинг. Этот специалист по вводу в эксплуатацию Rubin находится в Чили, где он работает в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Зима в Чили только начиналась. В ночь инцидента температура на улице упала до 5°C (41 °F) впервые с тех пор, как была установлена камера. “Сегодня потеплело, и, похоже, температура восстановилась”, — сказал Фаннинг.

Возможно, проблема была связана с холодом. Но почему из-за этого криопласт нагревался? И почему критическая температура была около 5°C? Поскольку, по словам Фаннинга, “мало что меняет состояние при такой температуре”, это вызывает недоумение.Фаннинг предложил провести эксперимент: охладить купол до 5°C и посмотреть, не сработает ли криопленка снова. Команда ждала, пока на улице похолодает. Затем они немного приоткрывали купол, чтобы впустить немного холодного воздуха. А пока команда достала колоду карточек Uno.

У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!

Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Science News Исследует

Внимание на небо

“Погода прямо сейчас оскорбляет меня лично”, — сказал Фаннинг. На следующее утро, однако, он был в хорошем настроении. Криокамера сохраняла свою прохладу. Это указывало на то, что поломка была вызвана холодом на улице.

Возможно, материал в линиях охлаждения загустел и не смог охлаждать криопланшет в обычном режиме. Возможно, в трубу попало немного воды, которая замерзла и вызвала засорение. Если бы команда смогла выяснить, где именно холод воздействует на систему, они могли бы сделать ее более изолированной.

В конце концов, в ту ночь съемочная группа снова включила камеру. К следующей ночи они вернулись к обычным наблюдениям. Фаннинг сказал мне, что они все еще изучают проблему сбоя. Тем временем исследователи планируют добавить некоторую изоляцию и нагнетать дополнительное тепло в купол.

“Это были трудные выходные, но я очень доволен достигнутым прогрессом и тем, как команда собралась вместе, чтобы так быстро вернуться к [наблюдениям]”, — написал Фаннинг по электронной почте.

В июне телескоп столкнулся с важная веха. Публика смогла увидеть первые снимки, сделанные Рубином. На снимке было изображено 10 миллионов галактик и более 2000 недавно обнаруженных астероидов. По мере того, как Rubin будет наблюдать за одними и теми же точками, из темноты будут появляться более тусклые объекты.

Около 90 процентов времени Rubin будет тратить на широкий и глубокий обзор неба. Но он также сможет быстро указывать на объекты. Например, когда другой телескоп обнаруживает сверхновую, Rubin может повернуться, чтобы посмотреть на нее.

Любой желающий сможет зайти на веб-сайт телескопа и поиграть с данными Rubin. В том числе студенты и астрономы-любители. “На самом деле именно ваши идеи, ваши знания и ваша настойчивость определяют то, какой наукой вы можете заниматься”, — говорит Ивезич.

Комбинированный снимок

Этот снимок туманностей Трифида и Лагуна объединяет 678 снимков, сделанных чуть более чем за семь часов. В ходе 10-летнего исследования, проведенного Rubin, ученые объединят тысячи изображений одних и тех же участков неба. В результате наложения изображений яркие пятна станут ярче, а темные — темнее. Это позволит выделить более тусклые и удаленные объекты.RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

Пробуждение дракона

Примерно за час до того, как я спустился с горы в мае, команда решила включить телескоп. Все бросились наверх, в купол, чтобы посмотреть. Когда мы вошли, купол вращался. Казалось, что вместо этого движется пол под нами.

Купол был похож на собор, похожий на пещеру и круглый. Но никакого эха не было. Телескоп занимал большую часть пространства. Стены купола были также покрыты материалом для поглощения рассеянного света, который также поглощал большую часть звука.Сидя в кресле за рабочим столом с ноутбуком, Фаннинг несколько раз навел телескоп, чтобы проверить диапазон его движения: Посмотрите вверх. Панорамируйте от низкого уровня к высокому. Вращайте телескоп по полукругу.

Рубин в движении напоминал просыпающегося дракона. Он двигался с удивительной элегантностью и скоростью. Он откинул голову назад, расправил плечи и обратил лицо к небу, готовый открыть глаза.

Другие новости:

---