SLAC工作人員首次照下了32億像素的數(shù)碼照片

在美國能源部的斯坦福直線加速器（Stanford Linear Accelarator，簡稱SLAC）國家加速器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工作人員將一個(gè)成像傳感器陣列對準(zhǔn)了一顆羅馬花椰菜，拍下了這張黑白照片。這張看上去再普通不過的照片，不僅意味著成像能力的進(jìn)步，也是天文學(xué)的重要里程碑。

這張照片如此特殊的原因在于，這是SLAC工作人員首次照下了32億像素的數(shù)碼照片，也是通過單次成像得到的最高像素的照片。這些照片之大，要用378塊4K超高清電視屏幕才能完整展示出其中的一張；它們的清晰度能讓你在大約24千米外看見一顆高爾夫球。

全球像素最高的羅馬花椰菜（圖片來源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室）

而拍攝這張照片的成像傳感器陣列，將會(huì)成為薇拉·庫珀·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）相機(jī)的核心部件。這座位于智利的天文臺以4年前去世的天體物理學(xué)家薇拉·魯賓命名，以紀(jì)念她在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)。

接下來，這個(gè)傳感器陣列將并入SLAC仍在建的全球最大數(shù)碼相機(jī)中。在魯賓天文臺組建完成后，這個(gè)相機(jī)將可以拍下整個(gè)南天的全景圖——每隔幾晚就能照一張；如此這般，持續(xù)十年。每晚，魯賓天文臺都需要處理、儲(chǔ)存超過20 TB的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)會(huì)從相機(jī)傳入魯賓天文臺的時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目（Legacy Survey of Space and Time，LSST）數(shù)據(jù)庫中，這個(gè)數(shù)據(jù)庫包含了比地球人口還多的星系，和數(shù)不清的天體的運(yùn)動(dòng)信息。利用LSST相機(jī)，魯賓天文臺能拍出有史以來最宏大的天文學(xué)電影，并揭開許多重要的宇宙之謎的面紗。這其中就包括暗物質(zhì)和暗能量之謎：LSST產(chǎn)出的數(shù)據(jù)將用于暗能量科學(xué)協(xié)作項(xiàng)目（Dark Energy Science Collaboration，DESC），幫助我們進(jìn)一步了解這種推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘能量。

魯賓天文臺（圖片來源：LSST）

“這對我們來說，是一個(gè)重要的里程碑，”LSST相機(jī)項(xiàng)目主管，美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）的文森特·里奧特（Vincent Riot）表示，“焦平面為給LSST提供圖像，它將是魯賓天文臺得力、敏感的眼睛?！?/p>

魯賓天文臺主任，來自SLAC的史蒂文·卡恩（Steven Kahn）說：“這是整個(gè)魯賓天文臺項(xiàng)目最重要的成就之一。LSST相機(jī)的焦平面的建成和成功測試，是相機(jī)團(tuán)隊(duì)的一次巨大成功。這次成功將能讓魯賓天文臺開啟下一代的天文學(xué)研究。”

組裝最強(qiáng)相機(jī)

某種意義上來說，焦平面就好像消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)中的成像傳感器：它能捕捉物體發(fā)出或反射的光線，再將其轉(zhuǎn)化為電信號，以此產(chǎn)生圖像。但LSST相機(jī)的焦平面比這要復(fù)雜得多。實(shí)際上，它包含了189個(gè)獨(dú)立傳感器，也叫電荷耦合器件（charge-coupled devices，CCD）。每個(gè)CCD能輸出1600萬像素——與大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)的成像傳感器輸出的像素量相差無幾。

建成的LSST相機(jī)焦平面直徑至少有61厘米，包含189個(gè)獨(dú)立傳感器，能輸出32億像素的圖像。（圖片來源：Jacqueline Orrell/SLAC）

所謂的“科學(xué)筏”（science rafts）的安裝，在美國能源部的布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）完成：一個(gè)“科學(xué)筏”內(nèi)含9個(gè)CCD，以及它們的輔助元件。安裝完成后，“科學(xué)筏”被運(yùn)送到SLAC。在SLAC，相機(jī)團(tuán)隊(duì)會(huì)往一個(gè)固定網(wǎng)格里，插入21個(gè)“科學(xué)筏”和還有4個(gè)不用于成像的特殊筏。

LSST相機(jī)焦平面的單個(gè)成像傳感器和輔助元件會(huì)被包裝進(jìn)一個(gè)個(gè)單元里，稱作“筏”。有兩種不同的單元：為魯賓天文臺科學(xué)項(xiàng)目輸出圖像的，是21個(gè)方形筏（中央），每個(gè)包含9個(gè)傳感器；除此之外，有四個(gè)特殊筏（左側(cè)），每個(gè)包含3個(gè)傳感器，用于相機(jī)對焦，以及將望遠(yuǎn)鏡與地球旋轉(zhuǎn)同步。（圖片來源：Farrin Abbott/SLAC）

焦平面有許多非常特殊的性質(zhì)。它不僅含有32億個(gè)像素，而且這些像素非常?。s10微米寬），整個(gè)焦平面十分平整，凹凸不超過人類頭發(fā)寬度的十分之一。這保證了相機(jī)能輸出清晰且具有高解析度的圖像。焦平面的直徑約為61厘米，跟大約3.5厘米的全畫幅消費(fèi)級相機(jī)相比，只能用“巨大”來形容。如此之大的焦平面，能拍到相當(dāng)于大約40個(gè)滿月大小的天空。而且，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)敏感度極高，能探測到比肉眼可見程度要暗1億倍的物體——這就像在幾千千米外看到一根燃燒的蠟燭一樣。

“這些參數(shù)大得可怕，”來自加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）的LSST相機(jī)項(xiàng)目科學(xué)家史蒂文·利茲（Steven Ritz）表示，“這些獨(dú)特的性質(zhì)，將驅(qū)動(dòng)魯賓天文臺充滿野心的科學(xué)研究。”

在接下來的10年間，這個(gè)相機(jī)將會(huì)搜集大約200億個(gè)星系的圖像?！斑@些數(shù)據(jù)能促進(jìn)我們對星系演化的了解，也能更深入、更精確地檢驗(yàn)我們的暗物質(zhì)和暗能量模型，”利茲說道，“不論是對太陽系，還是對可觀測宇宙邊緣的物體的詳細(xì)研究——對很多科學(xué)領(lǐng)域來說，這個(gè)天文臺都會(huì)是一個(gè)絕佳的設(shè)施?！?/p>

LSST相機(jī)焦平面的表面積大到足以拍到40個(gè)滿月大小的天空圖像。它的解析度之高，你能從大約24公里外看見一個(gè)高爾夫球。（圖片來源：Greg Stewart/SLAC）

首次拍下32億像素的照片

焦平面于今年早些時(shí)候才被組裝完成。在6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，SLAC機(jī)組人員提心吊膽地將25個(gè)科學(xué)筏插入網(wǎng)格的狹窄狹槽中。為了讓成像面積最大化，相鄰筏上傳感器之間的間隙還不到5根頭發(fā)絲寬。成像傳感器相互接觸時(shí)極易破裂，因此整個(gè)操作過程非常棘手。

這些科學(xué)筏也價(jià)格不菲——每件高達(dá)300萬美元。

負(fù)責(zé)傳感器集成的SLAC機(jī)械工程師漢那·波列克（Hannah Pollek）說：“這個(gè)項(xiàng)目不但風(fēng)險(xiǎn)高，而且容限嚴(yán)格，非常具有挑戰(zhàn)性。但是有了這樣一支全能的團(tuán)隊(duì)，我們可以算是完成得相當(dāng)不錯(cuò)。”

焦平面已被放置到了低溫恒溫器內(nèi)部，在這里，傳感器冷卻到-101℃，這是它們正常運(yùn)作所需的溫度。由于疫情，相機(jī)團(tuán)隊(duì)的成員們一連數(shù)月無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。他們最終在5月恢復(fù)了有限的工作，并且需要遵循嚴(yán)格的社交距離要求。目前他們正在進(jìn)行大規(guī)模測試，以確保焦平面能夠滿足魯賓天文臺科學(xué)計(jì)劃的技術(shù)要求。

其中一項(xiàng)測試就是對包括羅馬花椰菜（Romanesco，有著極其細(xì)微的表面結(jié)構(gòu)）在內(nèi)的各種物體首次拍下32億像素的圖像。為了在相機(jī)尚未組裝完成的情況下做到這一點(diǎn)，SLAC團(tuán)隊(duì)利用150微米的針孔將圖像投影到焦平面上。

最后沖刺階段

團(tuán)隊(duì)在完成相機(jī)組裝之后，將迎來更具挑戰(zhàn)性的工作。

在接下來的幾個(gè)月中，他們會(huì)將低溫恒溫器和焦平面插入相機(jī)機(jī)身，并添加相機(jī)鏡頭，包含世界上最大的光學(xué)鏡頭、快門和用于研究不同顏色夜空的濾鏡更換系統(tǒng)。到2021年中期，這款大小與一輛SUV相當(dāng)?shù)南鄼C(jī)，將準(zhǔn)備開始最終測試，接著將被運(yùn)往智利。

SLAC首席研究官兼基礎(chǔ)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室副主任喬安尼·休伊特（JoAnne Hewett）說：“相機(jī)完成在即，這非常令人興奮。能在建立魯賓天文臺的這一關(guān)鍵部分中發(fā)揮如此重要的作用，對此我們感到自豪。這是一座里程碑，使我們通過前所未有的方式，朝著探索宇宙的基本問題邁出了一大步。”