来年、ベラ C. ルービン天文台の最初の運用により、天文学の世界はさらに大きくなる予定です。この巨大な天文台は現在、チリにある標高約 9,000 フィートの山、セロ・パチョンの頂上に建設中です。
この天文台には8.4メートルの望遠鏡が設置され、遠くの銀河からの光を捉え、それを世界最大のデジタルカメラに送り込み、南天全体の信じられないほど深い画像を生成します。
エンジニアが携帯電話に収まるほど小さなものから、銀河全体を捉えるのに十分な大きさのものまで、どのようにしてデジタル カメラ テクノロジーをスケールアップしているのか疑問に思ったことがあるなら、このユニークなキットについて、そしてその方法についてルービン天文台の科学者ケビン レイル氏に聞きました。それは天文学における最大の謎のいくつかを解明するのに役立つかもしれない。
世界最大のデジタルカメラ
基本的なレベルでは、Rubin カメラは携帯電話に搭載されているような市販のデジタル カメラと同じように機能します。ただし、その技術は CCD と呼ばれるセンサー技術を使用しているため、実際には 5 年前の携帯電話のカメラに近いものになっています。なぜなら、10年前に天文台カメラの製作が始まったからです。最大の違いはスケールの点です。携帯電話のカメラの解像度は ですが、Rubin のカメラの解像度は 3,200 メガピクセルです。
このカメラを製造している SLAC 国立加速器研究所 によると 、3,200 メガピクセルがどのようなものかをより具体的に説明すると、1 つの画像をフルサイズで表示するには 378 枚の 4K テレビ画面が必要になります。このような解像度があれば、25 マイル離れた場所からでもゴルフ ボールを見ることができるでしょう。
この種の解像度を達成するには、カメラ ハードウェアのすべての要素が非常に高い精度で設計および製造される必要があります。カメラの部品の中で特に慎重な製造が必要となるのがレンズです。入力信号の収差を補正するために 3 つのレンズがあり、それぞれの表面は完全に傷のないものでなければなりません。
レンズの両面を均等に研磨する必要があるため、これは望遠鏡のミラーに必要な精度よりもさらに困難です。 「課題は、鏡の 1 つの表面ではなく、完璧でなければならない 2 つの表面があることです」と Reil 氏は説明しました。 「この天文台の光学系、つまりレンズやミラーはすべて、作成するのに何年もかかるものです。」
完璧なレンズを入手することは、このような望遠鏡に必要なキットの中でも最も難しい部分ではありません。 「それは既知の技術です」とレイル氏は言う。 「難しいですが、これらのレンズの作り方を知っている会社はあります。」
ルービンカメラがセンサーを使用して、めったに踏まれることのない領域に進出しています。 3,200 メガピクセルという非常に高い解像度を備えているため、カメラの 189 個のセンサーをアレイに配置し、厳密な仕様に達するまで微調整する必要があります。これらのセンサーにはそれぞれ 16 チャンネルがあるため、合計 3,024 チャンネルになります。
「私個人にとって、最大の課題はセンサーです」とレイル氏は語ります。 「16 個の読み出しチャンネルと 189 個のセンサーを備え、それらすべてを同時に読み出す必要があります。つまり、データを取得し、実際にセンサーを要件を満たすようにするのです。」
センサーのこれらの要件は、非常に低いレベルの読み取りノイズなどです。これは、携帯電話を使用して暗闇で写真を撮るときに見られる粒子の粗いテクスチャです。天体観測の妨げとなるこのノイズを最小限に抑えるために、センサーは華氏マイナス 150 度まで冷却されます。しかし、それでも効果は限られているため、センサーは読み取りノイズを減らすために非常に慎重に製造する必要があります。これができるのは世界でほんの一握りの企業だけです。
もう 1 つの問題はカメラの焦点面に関するもので、これはカメラの焦点の合わせ方に関係します。この平面を数ミクロン以内に完全に平らに保つには、センサーを炭化ケイ素製のラフトに取り付けてからカメラに取り付ける必要があります。
望遠鏡のカメラが一般的なデジタル カメラと大きく異なるのは、フィルターの使用にあります。望遠鏡カメラは画像をカラーで撮影するのではなく、実際にはさまざまな波長で白黒画像を撮影します。これらの画像をさまざまな方法で組み合わせて、さまざまな天文上の特徴を抽出できます。
これを行うために、Rubin カメラには 6 つのフィルターが装備されており、それぞれのフィルターが、紫外線から可視光スペクトルを経て赤外線に至るまで、電磁スペクトルの異なる波長を分離します。これらのフィルターは 大きくて丸いガラス片で、 カメラの前で物理的に移動する必要があるため、必要に応じてフィルターを交換できる機構がカメラに取り付けられています。ホイールがカメラ本体の周りを回転し、必要なフィルターを上部に持ってきてから、アームがフィルターをつかんでレンズ間の所定の位置にスライドさせます。
最後にシャッターです。これは、レンズ面を横切ってスライドし、画像をキャプチャするために元に戻る 2 枚のブレード システムで構成されています。 「それは非常に正確です」とレイル氏は言いました。 「これらの可動ブレードと 3 番レンズの間の距離は非常に近いです。」そのためには、間隔が正確に正しいことを確認するための慎重なエンジニアリングが必要です。
もっと広い視野で見る
この精密な工学技術のすべてにより、ルービンは非常に強力な天文学ツールとなることができます。しかし、非常に遠い天体を見るように設計されたハッブル宇宙望遠鏡やジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のようなツールほど強力ではありません。その代わりに、ルービンは空の巨大な部分全体を観察し、空全体を非常に素早く見渡します。
週に一度、南の空全体を調査し、この作業を何度も繰り返し、毎晩約 14 テラバイトのデータを収集します。このように定期的に更新される画像を使用することで、天文学者は、空の特定の部分で先週何が起こったか、今週何が起こったかを比較することができます。これにより、超新星などの急速に進化する現象を捉えて、それらが時間の経過とともにどのように変化するかを確認することができます。
したがって、カメラ ハードウェアを使用してすべてのデータを収集するだけでなく、データを非常に高速に処理して、天文学者が新しい現象が起こっているのを確認できるようにすることも難しいのです。
そして、そのデータは一般にも公開される予定です。南の空にある天体を選択してその天体の画像を表示したり、 驚くほど詳細に 空を示す調査データを閲覧したりすることができます。
深くて広い空の調査
ルービン天文台は、特定の天体が時間の経過とともにどのように変化するかを観察する天文学者にとっての情報源であるだけでなく、地球近傍の天体を特定する上でも重要になります。これらは、地球に接近し、地球を脅かす可能性がある小惑星または彗星ですが、空を非常に速く移動するため、発見するのが難しい場合があります。
ルービン天文台は、その大きな鏡と視野により、地球に特に接近してくる潜在的危険物体と呼ばれる物体を識別できるようになります。そして、このデータは頻繁に更新されるため、他の望遠鏡で観察するためにさらなる研究が必要な天体にフラグを付けることができるはずです。
しかし、この天文台の最大の貢献は、暗黒物質と暗黒エネルギーの研究かもしれない。実際、この天文台の名前は、1960 年代と 1970 年代に銀河の観測を通じて暗黒物質の最初の証拠を発見したアメリカの天文学者ベラ C. ルービンにちなんで名付けられました。
ルービン天文台は、非常に大規模な宇宙を観察することで、暗黒物質の謎の物質を調査できるようになります。
「暗黒物質を実際に見るには、それは不可能です」とレイル氏は説明した。 「しかし、暗黒物質を本当に研究するには、銀河のスケールを見なければなりません。」
銀河の端の周りの星がどれくらいの速さで回転しているかを調べることで、それらの星と銀河の中心の間にどれくらいの質量があるのかを知ることができます。これを行うと、目に見える質量だけではそれらの回転を説明するのに十分ではなく、「十分にも程遠い」とレイル氏は言う。したがって、説明する必要のある質量が不足しています。 「それが暗黒物質です」と彼は付け加えた。
同様の原理が銀河団全体に当てはまります。ルービンがその広い視野で観察できるこれらの銀河団内の銀河の軌道を観察することにより、その観察は新たなレベルの統計的検出力を獲得するでしょう。そして、宇宙の膨張率を説明する仮説的なエネルギーであるダークエネルギーの関連現象を研究するために、天文学者は、計算された大きな天体の質量と観測された質量を比較することができます。
「そこにあるすべての銀河団を見ることができ、全天から得られる以上の統計は得られません」とレイル氏は語った。 「狭い視野を持つよりも、その主題に関するすべてのデータを利用できる方が大きな利点があります。」