历经20年 天文学领域最大的数码相机终于竣工了

经过二十年的努力，美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家和工程师及其合作者正在庆祝时空遗留巡天（LSST）相机的完工。一旦安装在智利的望远镜上，3200 万像素的 LSST 相机将帮助科学家更好地了解暗物质、暗能量和我们宇宙的其他奥秘。

研究人员正在检查 LSST 相机。这台相机将很快被运往智利，成为维拉-C-鲁宾天文台（右）的核心部分。资料来源：格雷格-斯图尔特/SLAC 国家加速器实验室

作为能源部和美国国家科学基金会资助的维拉-C-鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）的核心设备，这台 3200 万像素的相机将帮助研究人员以前所未有的细节观测我们的宇宙。在十年的时间里，它将产生大量关于南半球夜空的数据，研究人员将通过挖掘这些数据来获得对宇宙的新认识。这些数据将有助于研究人员了解推动宇宙加速膨胀的暗能量，以及寻找占宇宙物质 85% 左右的神秘物质--暗物质。研究人员还计划利用鲁宾数据更好地了解不断变化的夜空、银河系和我们自己的太阳系。

鲁宾天文台建设主任、华盛顿大学教授泽利科-伊维茨奇（Željko Ivezić）说："随着独一无二的LSST 照相机在 SLAC 完成并即将与智利鲁宾天文台的其他系统集成，我们将很快开始制作有史以来最伟大的影像和信息量最大的夜空地图。"

为了实现这一目标，SLAC 团队及其合作伙伴建造了有史以来最大的天文数码相机。这台相机大约有一辆小汽车那么大，重约 3000 公斤（3 公吨），其前镜头的宽度超过 5 英尺，是迄今为止为此目的制造的最大镜头。另一个三英尺宽的镜头必须经过特殊设计，以保持形状和光学清晰度，同时还要密封容纳相机巨大焦平面的真空室。焦平面由 201 个定制设计的 CCD 传感器组成，它非常平整，变化幅度不超过头发丝宽度的十分之一。像素本身只有 10 微米宽。

LSST 相机建于 SLAC 国家加速器实验室，是有史以来最大的天文数码相机。该相机是维拉-C-鲁宾天文台为期 10 年的时空遗产巡天（LSST）的核心设备，它将每 3 个夜晚拍摄整个南部天空。该相机的数据将有助于解决宇宙学中一些最紧迫的问题，如暗能量和暗物质的性质，以及推进对太阳系和不断变化的夜空的研究。图片来源：Olivier Bonin/SLAC 国家加速器实验室

SLAC教授、鲁宾天文台副主任兼照相机项目负责人亚伦-鲁德曼（Aaron Roodman）说，这台照相机最重要的特点还是它的分辨率，它的分辨率非常高，需要数百台超高清电视才能全尺寸显示它的一幅图像。"它的图像非常细腻，可以分辨出 15 英里外的一个高尔夫球，同时覆盖的天空范围比满月还要宽七倍。这些包含数十亿颗恒星和星系的图像将有助于揭开宇宙的秘密"。

能源部宇宙前沿计划项目经理凯西-特纳（Kathy Turner）说，揭示这些秘密越来越重要。特纳说："与以往任何时候相比，要想扩大我们对基础物理学的理解，就必须把目光投向更远的宇宙。以 LSST 相机为核心，鲁宾天文台将比以往任何时候都更深入地探索宇宙，帮助回答当今物理学中一些最难、最重要的问题。"

现在，LSST 照相机已经完工，并在 SLAC 经过了全面测试，它将被打包运往智利，并被送上安第斯山脉 8900 英尺高的 Cerro Pachón，今年晚些时候将被吊装到西蒙尼巡天望远镜上。

一旦开始运行，照相机的主要用途就是绘制大量夜空天体的位置图并测量其亮度。研究人员可以从该星表中推断出大量信息。也许最值得注意的是，LSST 相机将寻找弱引力透镜的迹象，在这种情况下，大质量星系会微妙地弯曲背景星系的光线到达我们的路径。弱透镜揭示了宇宙中质量分布的一些情况，以及随着时间的推移质量是如何变化的，这将有助于宇宙学家了解暗能量是如何推动宇宙膨胀的。

SLAC 高级工程师兼 LSST 相机项目经理马丁-诺德比（Martin Nordby）说，该天文台是第一个为研究如此规模的弱透镜而建造的天文台，该项目促使科学家和工程师们开发了许多新技术，包括新型 CCD 传感器和一些有史以来最大的透镜，并确保所有这些组件都能很好地协同工作。

艺术家绘制的 LSST 相机效果图，显示了其主要组件，包括镜头、传感器阵列和工具箱。资料来源：Chris Smith/SLAC 国家加速器实验室

科学家们还希望研究星系分布的模式以及这些模式随着时间的推移而发生的变化，识别暗物质群和发现超新星，所有这些都有助于进一步了解暗物质和暗能量。

这么大的相机还能做什么？

揭示遥远星系细节的相同图像将帮助研究人员研究离家更近的东西：我们自己的银河系。银河系中的许多恒星又小又暗，但借助 LSST 相机的灵敏度，研究人员有望绘制出银河系更为详细的地图，从而深入了解银河系的结构和演变，以及其中恒星和其他天体的性质。

在离地球更近的地方，研究人员希望对太阳系中的许多小天体进行更彻底的普查。根据鲁宾天文台的估计，该项目可能会使已知天体的数量增加 10 倍，这可能会让人们对太阳系的形成过程有新的认识，或许还有助于识别那些过于接近地球的小行星所带来的威胁。

这台相机将安装在鲁宾天文台的西蒙尼巡天望远镜上，该望远镜位于智利安第斯山脉的高处。资料来源：鲁宾天文台/美国国家科学基金会/AURA

最后，鲁宾科学家将研究夜空是如何变化的--例如，恒星是如何死亡的，或者物质是如何落入星系中心的超大质量黑洞的。

SLAC 主任约翰-萨拉奥（John Sarrao）说，这台相机是实验室及其合作伙伴的一项"巨大成就"。LSST相机和鲁宾天文台将为我们的宇宙打开一扇新窗口，让我们深入了解宇宙中一些最神秘的事物，同时揭示离我们更近的奇迹。"看到拉加中心的科技专长、项目领导力和强大的全球合作伙伴关系以如此具有影响力的方式汇聚在一起，我感到非常兴奋。我们迫不及待地想看到下一步的发展。"

提供专业知识和技术的合作实验室包括：布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory），该实验室制造了相机的数字传感器阵列；劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory），该实验室与其工业合作伙伴一起设计和制造了相机的镜头；法国国家科学研究中心（IN2P3/CNRS）的国家核与粒子物理研究所（National Institute of Nuclear and Particle Physics at the National Center for Scientific Research），该研究所参与了传感器和电子设备的设计，并制造了相机的滤光片交换系统，该系统将使相机能够捕捉从紫外线到红外线的六个不同波段的光。

已完工的 LSST 相机正面图，显示其中的 3200 万像素焦平面。图片来源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 国家加速器实验室

布鲁克海文实验室仪器部高级物理学家保罗-奥康纳（Paul O'Connor）说："布鲁克海文实验室的团队（其中一些人已经为该项目工作了 20 多年）非常高兴地看到 LSST 相机的完工。我们与多个合作者共同开发的快速、超灵敏 CCD 模块将为鲁宾天文台未来十年的突破性科学研究做出贡献，我们期待着在这一旗舰天文巡天项目中开展合作。"

照相机光学组件的一个主要特征是它的三个透镜，其中一个直径为 1.57 米（5.1 英尺）的透镜据信是迄今为止制造的世界上最大的高性能光学透镜。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师、前 LSST 相机项目经理 Vincent Riot 说："劳伦斯利弗莫尔国家实验室非常荣幸能有机会为 LSST 相机设计并监督大型透镜和光学过滤器的制造，其中包括世界上最大的透镜。LLNL 能够利用其几十年来开发世界上最大激光系统所积累的大型光学技术专长，看到这个前所未有的仪器完工并准备前往鲁宾天文台，我们感到非常兴奋。"

IN2P3/CNRS 相机科学家皮埃尔-安蒂洛格斯（Pierre Antilogus）说："为了制作宇宙三维电影，相机必须在大约 2 秒钟内拍摄图像，并在 90 秒钟内更换滤镜。对于如此大小的相机来说，这是一项了不起的壮举。如果说 LSST 相机焦平面的尺寸是独一无二的，那么其内部技术的密度则更加令人印象深刻。通过负责滤光片交换系统和对焦平面的贡献，我们的团队很高兴能够参与到开发如此强大相机的集体冒险中来。"

这台相机的项目副经理兼相机集成经理特拉维斯-兰格（Travis Lange）说，对于建造这台相机并领导该项目的 SLAC 团队来说，建造这台相机也是一项有意义的挑战："我为我们的成果感到非常自豪。这是一个非常独特的项目，让我接触到了很多不可思议的经历--谁能想到国务卿和众议院议长会在摄像机无尘室前召开新闻发布会？这将是一个难以追赶的项目"。

编译自:ScitechDaily