李亞山

這張羅馬花椰菜照片是有史以來最大的數(shù)碼照片之一

近日，美國(guó)能源部國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的工作人員利用一系列非凡的成像傳感器，拍攝了第一組 32 億像素的數(shù)碼照片。這些成像傳感器將成為位于智利的薇拉·魯賓天文臺(tái)未來相機(jī)的核心和靈魂。

這組照片的尺寸也十分驚人，顯示其中一張全尺寸照片，就需要 378 個(gè) 4K 超高清電視屏幕。它們的分辨率高達(dá) 32 億像素，甚至可以讓你從大約 15 英里外看到一個(gè)高爾夫球。很快，這些特性將前所未有地推動(dòng)天體物理學(xué)研究。

接下來，這些傳感器陣列將被集成到目前 SLAC 正在建造中的世界上最大的數(shù)碼相機(jī)中。在薇拉·魯賓天文臺(tái)安裝完成之后，這架照相機(jī)將在未來 10 年中，每隔幾個(gè)晚上拍攝一張完整的天空全景圖。它的數(shù)據(jù)將被輸入到薇拉·魯賓天文臺(tái)的時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查文檔（LSST，Legacy Survey of Space and Time）中，LSST 是一個(gè)包含了更多星系和無數(shù)天體運(yùn)動(dòng)的目錄。利用這架 LSST 相機(jī)，天文臺(tái)將拍攝有史以來最大的天文記錄，并揭示宇宙中一些最大的謎團(tuán)，包括暗物質(zhì)和暗能量。

早在今年 1 月，SLAC 就完成了相機(jī)的焦平面組裝，此次拍攝是對(duì)相機(jī)焦平面的測(cè)試?！癓SST 相機(jī)是魯賓天文臺(tái)靈敏的眼睛?！?LSST 相機(jī)項(xiàng)目經(jīng)理文森特·里奧特如此評(píng)價(jià)。

SLAC 的工作人員用LSST相機(jī)的完整焦平面拍攝了第一張32 億像素的照片

LSST 相機(jī)焦平面的完成和測(cè)試的成功，是整個(gè)魯賓天文臺(tái)項(xiàng)目中最重要的成就之一，將使天文臺(tái)能夠探索下一代天文科學(xué)。

技術(shù)奇跡

在某種程度上，焦平面類似于數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)攝像頭的成像傳感器：它捕獲物體發(fā)出或反射的光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于生成數(shù)字圖像。但是 LSST 相機(jī)的焦平面要復(fù)雜得多。事實(shí)上，它包含 189 個(gè)獨(dú)立的傳感器（CCDs），每一個(gè)都有高達(dá) 1600 萬像素的分辨率。

在美國(guó)能源部的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，9 套 CCDs 及其配套電子元件被組裝成名為 “科學(xué)筏” 的方形單元，然后運(yùn)往 SLAC。在那里，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將其中 21 個(gè)“科學(xué)筏”，以及另外 4 個(gè)不用于成像的特殊“科學(xué)筏”，插入一個(gè)固定位置的網(wǎng)格中。

焦平面有一些非常特別的特性。它不僅包含 32 億像素，而且像素也非常小——大約 10 微米寬，另外，焦平面本身非常平坦，起伏不超過人類頭發(fā)的十分之一。這才能保證相機(jī)可以產(chǎn)生非常高分辨率的清晰圖像。

這個(gè)焦平面超過 2 英尺寬，與全畫幅消費(fèi)相機(jī) 1.4 英寸寬的成像傳感器相比，它顯得非常巨大。更夸張的是，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)使成像傳感器能夠發(fā)現(xiàn)比肉眼可見的物體暗 1 億倍的物體，這種靈敏度可以在幾千英里之外看到蠟燭。

LSST 相機(jī)在天文研究方面將發(fā)揮巨大作用

加州大學(xué)圣克魯茲分校 LSST 相機(jī)項(xiàng)目科學(xué)家史蒂文·里茲說：“這簡(jiǎn)直令人震驚。這些獨(dú)特的特征將使魯賓天文臺(tái)雄心勃勃的科學(xué)計(jì)劃成為可能?！?/p>

在10年的時(shí)間里，該相機(jī)將收集大約 200 億個(gè)星系的圖像。里茲介紹稱，這些數(shù)據(jù)將提高我們對(duì)星系如何隨時(shí)間演化的認(rèn)識(shí)，并將使我們比以往更深入、更精確地測(cè)試暗物質(zhì)和暗能量模型。這座天文臺(tái)將是進(jìn)行廣泛科學(xué)研究的絕佳設(shè)施，從對(duì)我們太陽系的詳細(xì)研究，到對(duì)通向可見宇宙邊緣的遙遠(yuǎn)物體的研究。

高風(fēng)險(xiǎn)的裝配過程

今年早些時(shí)候，經(jīng)歷了 6 個(gè)月的緊張工作之后，焦平面終于組裝完成。SLAC 的工作人員將 25 個(gè)筏體插入網(wǎng)格的狹窄槽中。為了最大限度地?cái)U(kuò)大成像區(qū)域，相鄰筏體上的傳感器之間的間距小于 5 根人類頭發(fā)的寬度。由于成像傳感器很容易破裂，使得整個(gè)操作非常棘手。

未來LSST 相機(jī)的完整焦平面寬度超過2 英尺，包含189 個(gè)獨(dú)立傳感器，將產(chǎn)生32億像素的圖像

另外，這些筏體也很昂貴，每個(gè)價(jià)值高達(dá) 300 萬美元。高風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)格的公差，都讓這個(gè)項(xiàng)目充滿挑戰(zhàn)性。團(tuán)隊(duì)成員花了一年的時(shí)間準(zhǔn)備筏體安裝，他們通過安裝許多沒有正式進(jìn)入最后焦平面組裝的筏體進(jìn)行“練習(xí)”。這使得他們能夠完善將每個(gè) 2 英尺高、20 磅重的筏體裝入網(wǎng)格的程序。整個(gè)安裝過程使用了專門開發(fā)的特殊龍門架。

SLAC 的 LSST 相機(jī)集成和測(cè)試團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人蒂姆·邦德說：“單個(gè)相機(jī)組件的大小令人印象深刻，團(tuán)隊(duì)的規(guī)模也令人印象深刻。這需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)來完成焦平面的組裝，而且每個(gè)工作人員都接受了挑戰(zhàn)。”

拍攝 32 億像素的照片

拍攝時(shí)，焦平面被放置在一個(gè)低溫恒溫器中，傳感器被冷卻到零下 150 華氏度，這是它們所需的工作溫度。由于新冠病毒疫情影響，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有幾個(gè)月不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，今年 5 月，團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格按照安全距離的要求，恢復(fù)了工作。目前正在進(jìn)行廣泛的測(cè)試，確保焦平面滿足支持魯賓天文臺(tái)科學(xué)計(jì)劃所需的技術(shù)要求。這些測(cè)試涉及拍攝各種物體的 32 億像素的照片，其中包括一幅表面結(jié)構(gòu)非常精細(xì)的羅馬畫。為了做到這一點(diǎn)，SLAC 團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè) 150 微米的針孔將圖像投射到焦平面上。

為了拍攝第一張3.2 億像素的圖像，SLAC 團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)150 微米的針孔將圖像投射到焦平面上。左圖： 針孔投影儀的原理圖。右圖：在將圖像投射到焦平面后，SLAC 工作人員從低溫組件上取出針孔投影儀

這些照片展示了成像傳感器捕捉到的非凡細(xì)節(jié)，而且可以在網(wǎng)上以全分辨率瀏覽。拍攝這些照片是一項(xiàng)重大成就，在嚴(yán)格的規(guī)格下，SLAC 團(tuán)隊(duì)真的突破了利用焦平面每一平方毫米的極限，最大化利用它的科學(xué)能力。

今后，還有更具挑戰(zhàn)性的工作在等著 SLAC 團(tuán)隊(duì)。在接下來的幾個(gè)月里，他們將把帶有焦平面的低溫恒溫器插入相機(jī)機(jī)身，并添加相機(jī)的鏡頭，包括世界上最大的光學(xué)鏡頭、快門和用于研究不同顏色夜空的濾光片交換系統(tǒng)。到 2021 年中期，這款有一輛 SUV 大小的相機(jī)將進(jìn)行最后測(cè)試，然后啟程前往智利。（摘自美《深科技》）（編輯/克珂）