Il piano focale della futura fotocamera Lsst è largo più di 60 centimetri e contiene 189 sensori individuali che produrranno immagini da 3200 megapixel. I ricercatori dello Slac hanno scattato le prime immagini, che si possono esplorare a piena risoluzione sul sito dello Slac. Crediti: Jacqueline Orrell / Slac National Accelerator Laboratory
Gli scienziati dello Slac (Stanford Linear Accelerator Center) National Accelerator Laboratory – uno dei 17 laboratori nazionali del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti d’America – hanno scattato le prime fotografie digitali alla risoluzione di 3200 megapixel – le più grandi di sempre in un unico scatto – con uno straordinario array di sensori di imaging che sarà il cuore e l’anima della futura fotocamera dell’Osservatorio Vera C. Rubin. Le immagini sono così grandi che sarebbero necessari 378 schermi Tv 4K ad altissima definizione per visualizzarne una sola a grandezza naturale, e la loro risoluzione è così alta che si potrebbe vedere una pallina da golf da circa 24 chilometri di distanza.
L’array sarà integrato nella fotocamera digitale più grande del mondo, attualmente in costruzione presso lo Slac. Una volta installata presso l’Osservatorio Rubin in Cile, la fotocamera produrrà immagini panoramiche dell’intero cielo sud – un panorama ogni poche notti, per 10 anni. I suoi dati faranno parte della Legacy Survey of Space and Time (Lsst): un catalogo che conterrà più galassie di quante sono le persone viventi sulla Terra, e dei movimenti di innumerevoli oggetti astrofisici. Utilizzando la fotocamera Lsst, l’osservatorio produrrà il più grande filmato astronomico di tutti i tempi e farà luce su alcuni dei più grandi misteri dell’universo, tra cui la materia oscura e l’energia oscura.
Il piano focale della fotocamera Lsst ha una superficie abbastanza grande da catturare una porzione di cielo delle dimensioni di circa 40 lune piene. La sua risoluzione è così alta che potrebbe individuare una pallina da golf a 24 chilometri di distanza. Crediti: Greg Stewart / Slac National Accelerator Laboratory
Queste prime immagini rappresentano un test del piano focale della fotocamera, il cui assemblaggio è stato completato a gennaio. Per gli scienziati che lavorano al progetto, questo risultato rappresenta una pietra miliare. In un certo senso, il piano focale è simile al sensore di imaging di una fotocamera digitale commerciale o alla fotocamera di un telefono cellulare: cattura la luce emessa o riflessa da un oggetto e la converte in segnali elettrici, che vengono utilizzati per produrre un’immagine digitale. Ma il piano focale della fotocamera Lsst è molto più sofisticato: contiene 189 sensori individuali, o dispositivi ad accoppiamento di carica (Ccd), ognuno dei quali con una risoluzione di 16 megapixel, circa come i sensori di imaging delle più moderne fotocamere digitali.
Set di nove Ccd, con la loro elettronica di supporto, sono stati assemblati in unità quadrate, chiamate scientific rafts (piattaforme scientifiche), presso il Doe Brookhaven National Laboratory e spedite allo Slac, dove ne sono state inserite 21 in una griglia che le tiene in posizione, più altre quattro particolari, non utilizzate per l’imaging.
Ma c’è di più: non solo il piano focale ha 3.2 miliardi di pixel, ma i pixel sono anche molto piccoli – circa 10 micron di larghezza – e il piano focale stesso è estremamente piatto, con variazioni superficiali che non superano un decimo della larghezza di un capello umano. Ciò consente alla fotocamera di produrre immagini nitide ad altissima risoluzione. Con un’estensione di più di 60 centimetri, il piano focale è enorme rispetto al sensore di imaging da 1.4 pollici di larghezza di una fotocamera full-frame commerciale e abbastanza grande da catturare una porzione di cielo delle dimensioni di 40 lune piene. Infine, tutto il telescopio è progettato in modo tale che i sensori di imaging saranno in grado di individuare oggetti 100 milioni di volte più deboli di quelli visibili a occhio nudo – una sensibilità che permetterebbe di vedere una candela accesa da migliaia di chilometri di distanza.
I singoli sensori di imaging e l’elettronica di supporto del piano focale della telecamera Lsst sono assemblati in unità chiamate raft. Esistono due diversi tipi di unità: 21 raft quadrate (al centro), ciascuna contenente nove sensori – che produrranno le immagini per il programma scientifico dell’Osservatorio Rubin – e altre quattro zattere speciali (a sinistra) con solo tre sensori ciascuna – verranno utilizzate per la messa a fuoco della fotocamera e la sincronizzazione del telescopio con la rotazione terrestre. Crediti: Farrin Abbott / Slac National Accelerator Laboratory
In dieci anni, la fotocamera raccoglierà immagini di circa 20 miliardi di galassie. «Questi dati miglioreranno la nostra conoscenza di come le galassie si sono evolute nel tempo e ci permetteranno di testare i nostri modelli di materia oscura ed energia oscura, in un modo più approfondito e accurato che mai», riporta Steven Ritz, project scientist della Lsst Camera all’Università della California, a Santa Cruz. «L’osservatorio sarà una struttura meravigliosa per una vasta gamma di scienze – da studi dettagliati del nostro Sistema solare a studi di oggetti lontani, verso il limite dell’universo visibile».
Il completamento del piano focale, avvenuto all’inizio di quest’anno, ha concluso sei mesi snervanti per l’equipaggio dello Slac che ha inserito le 25 rafts nelle strette fessure nella griglia. Per massimizzare l’area di imaging, lo spazio tra i sensori di rafts vicine è largo meno di cinque capelli umani. Poiché i sensori di imaging si rompono facilmente quando si toccano, questo ha reso l’intera operazione molto complicata. E non è proprio il caso di romperli, visto che ognuno costa fino a 3 milioni di dollari.
Il piano focale è stato posizionato all’interno di un criostato, dove i sensori vengono raffreddati a meno 100 gradi Celsius, la temperatura di esercizio richiesta. Dopo diversi mesi senza accesso al laboratorio a causa della pandemia, il team della fotocamera ha ripreso il suo lavoro a maggio, con un numero limitato di operatori e rispettando le direttive circa il distanziamento sociale. Sono ora in corso test approfonditi per assicurarsi che il piano focale soddisfi i requisiti tecnici necessari per sostenere il programma scientifico dell’Osservatorio Rubin.
Nel corso dei prossimi mesi, il team della Camera Lsst integrerà i restanti componenti della fotocamera, incluse le lenti, un otturatore e un sistema di sostituzione dei filtri. Entro la metà del 2021, la fotocamera, delle dimensioni di un Suv, sarà pronta per i test finali. Crediti: Chris Smith / Slac National Accelerator Laboratory
Uno di questi test è stato scattare le prime immagini da 3200 megapixel di una varietà di oggetti, incluso un broccolo romanesco, scelto per la sua struttura superficiale estremamente dettagliata. Per farlo senza la fotocamera completamente assemblata, il team ha utilizzato un pinhole da 150 micron per proiettare le immagini sul piano focale. Queste foto, che sono disponibili online e possono essere esplorate a piena risoluzione, mostrano lo straordinario dettaglio catturato dai sensori di imaging.
«Scattare queste immagini è un risultato importante», conclude Aaron Roodman dello Slac, responsabile dell’assemblaggio e del collaudo della telecamera Lsst. «Con le specifiche rigorose abbiamo davvero spinto ai limiti del possibile lo strumento, per sfruttare ogni millimetro quadrato del piano focale e massimizzare la scienza che possiamo fare con esso».
Nei prossimi mesi, il criostato con il piano focale verrà aggiunto nel corpo della fotocamera, e verranno aggiunte anche le lenti, tra cui la lente ottica più grande del mondo, un otturatore e un sistema di scambio di filtri per studi del cielo notturno in colori differenti. Entro la metà del 2021, la fotocamera – delle dimensioni di un Suv – sarà pronta per i test finali, prima di iniziare il suo viaggio in Cile.