經過二十年的努力，美國能源部SLAC 國家加速器實驗室的科學家和工程師及其合作者正在慶祝時空遺留巡天（LSST）相機的完工。一旦安裝在智利的望遠鏡上，3,200 萬像素的LSST 相機將幫助科學家更了解暗物質、暗能量和我們宇宙的其他奧秘。

研究人員正在檢查LSST 相機。這台相機很快就會被運往智利，成為維拉-C-魯賓天文台（右）的核心部分。資料來源：格雷格-史都華/SLAC 國家加速器實驗室

作為能源部和美國國家科學基金會資助的維拉-C-魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）的核心設備，這台3,200 萬像素的相機將幫助研究人員以前所未有的細節觀測我們的宇宙。在十年的時間裡，它將產生大量關於南半球夜空的數據，研究人員將透過挖掘這些數據來獲得對宇宙的新認識。這些數據將有助於研究人員了解推動宇宙加速膨脹的暗能量，以及尋找佔宇宙物質85% 左右的神秘物質–暗物質。研究人員還計劃利用魯賓數據來更好地了解不斷變化的夜空、銀河系和我們自己的太陽系。

魯賓天文台建設主任、華盛頓大學教授澤利科-伊維茨奇（Željko Ivezić）說：”隨著獨一無二的LSST 照相機在SLAC 完成並即將與智利魯賓天文台的其他系統集成，我們將很快開始製作有史以來最偉大的影像和資訊量最大的夜空地圖。”

為了實現這一目標，SLAC 團隊及其合作夥伴建造了有史以來最大的天文數位相機。這台相機大約有一輛小汽車那麼大，重約3000 公斤（3 公噸），其前鏡頭的寬度超過5 英尺，是迄今為止為此目的製造的最大鏡頭。另一個三英尺寬的鏡頭必須經過特殊設計，以保持形狀和光學清晰度，同時還要密封容納相機巨大焦平面的真空室。焦平面由201 個客製化設計的CCD 感測器組成，它非常平整，變化幅度不超過頭髮絲寬度的十分之一。像素本身只有10 微米寬。

LSST 相機建於SLAC 國家加速器實驗室，是有史以來最大的天文數位相機。這台相機是維拉-C-魯賓天文台為期10 年的時空遺產巡天（LSST）的核心設備，它將每3 個夜晚拍攝整個南部天空。該相機的數據將有助於解決宇宙學中一些最緊迫的問題，如暗能量和暗物質的性質，以及推進對太陽系和不斷變化的夜空的研究。圖片來源：Olivier Bonin/SLAC 國家加速器實驗室

SLAC教授、魯賓天文台副主任兼照相機計畫負責人亞倫-魯德曼（Aaron Roodman）說，這台照相機最重要的特點還是它的分辨率，它的分辨率非常高，需要數百台超高畫質電視才能全尺寸顯示它的一幅影像。 “它的影像非常細膩，可以分辨出15 英里外的一個高爾夫球，同時覆蓋的天空範圍比滿月還要寬七倍。這些包含數十億顆恆星和星系的圖像將有助於揭開宇宙的秘密”。

能源部宇宙前沿計畫專案經理凱西-特納（Kathy Turner）說，揭示這些秘密越來越重要。特納說：”與以往任何時候相比，要擴大我們對基礎物理學的理解，就必須把目光投向更遠的宇宙。以LSST 相機為核心，魯賓天文台將比以往任何時候都更深入地探索宇宙，幫助回答當今物理學中一些最難、最重要的問題。”

現在，LSST 相機已經完工，並在SLAC 經過了全面測試，它將被打包運往智利，並被送上安第斯山脈8900 英尺高的Cerro Pachón，今年晚些時候將被吊裝到西蒙尼巡天望遠鏡上。

一旦開始運行，相機的主要用途就是繪製大量夜空天體的位置圖並測量其亮度。研究人員可以從該星表中推斷出大量資訊。也許最值得注意的是，LSST 相機將尋找弱重力透鏡的跡象，在這種情況下，大質量星系會微妙地彎曲背景星系的光線到達我們的路徑。弱透鏡揭示了宇宙中質量分佈的一些情況，以及隨著時間的推移質量是如何變化的，這將有助於宇宙學家了解暗能量是如何推動宇宙膨脹的。

SLAC 高級工程師兼LSST 相機專案經理馬丁-諾德比（Martin Nordby）說，該天文台是第一個為研究如此規模的弱透鏡而建造的天文台，該專案促使科學家和工程師們開發了許多新技術，包括新型CCD 感測器和一些有史以來最大的透鏡，並確保所有這些組件都能很好地協同工作。

藝術家繪製的LSST 相機效果圖，顯示了其主要組件，包括鏡頭、感光元件陣列和工具箱。資料來源：Chris Smith/SLAC 國家加速器實驗室

科學家也希望研究星系分佈的模式以及這些模式隨著時間的推移而發生的變化，識別暗物質群和發現超新星，所有這些都有助於進一步了解暗物質和暗能量。

這麼大的相機還能做什麼？

揭示遙遠星系細節的相同圖像將幫助研究人員研究離家更近的東西：我們自己的銀河系。銀河系中的許多恆星又小又暗，但藉助LSST 相機的靈敏度，研究人員有望繪製出銀河系更為詳細的地圖，從而深入了解銀河系的結構和演變，以及其中恆星和其他天體的性質。

在離地球更近的地方，研究人員希望對太陽系中的許多小天體進行更徹底的普查。根據魯賓天文台的估計，該計畫可能會使已知天體的數量增加10 倍，這可能會讓人們對太陽系的形成過程有新的認識，或許還有助於識別那些過於接近地球的小行星所帶來的威脅。

這台相機將安裝在魯賓天文台的西蒙尼巡天望遠鏡上，該望遠鏡位於智利安第斯山脈的高處。資料來源：魯賓天文台/美國國家科學基金會/AURA

最後，魯賓科學家將研究夜空是如何變化的–例如，恆星是如何死亡的，或者物質是如何落入星系中心的超大質量黑洞的。

SLAC 主任約翰-薩拉奧（John Sarrao）說，這台相機是實驗室及其合作夥伴的一項”巨大成就”。 LSST相機和魯賓天文台將為我們的宇宙打開一扇新窗口，讓我們深入了解宇宙中一些最神秘的事物，同時揭示離我們更近的奇蹟。 “看到拉加中心的科技專長、專案領導力和強大的全球合作夥伴關係以如此具有影響力的方式匯聚在一起，我感到非常興奮。我們迫不及待地想看到下一步的發展。”

提供專業知識和技術的合作實驗室包括：布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory），該實驗室製造了相機的數位感測器陣列；勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory），該實驗室與其工業合作夥伴一起設計和製造了相機的鏡頭；法國國家科學研究中心（IN2P3/CNRS）的國家核子與粒子物理研究所（National Institute of Nuclear and Particle Physics at the National Center for Scientific Research） ，該研究所參與了感測器和電子設備的設計，並製造了相機的濾光片交換系統，該系統將使相機能夠捕捉從紫外線到紅外線的六個不同波段的光。

已完成的LSST 相機正面圖，顯示其中的3,200 萬像素焦平面。圖片來源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 國家加速器實驗室

布魯克海文實驗室儀器部高級物理學家保羅-奧康納（Paul O’Connor）說：「布魯克海文實驗室的團隊（其中一些已經為該計畫工作了20 多年）非常高興地看到LSST相機的完工。我們與多個合作者共同開發的快速、超靈敏CCD 模組將為魯賓天文台未來十年的突破性科學研究做出貢獻，我們期待著在這一旗艦天文巡天項目中開展合作。 “

相機光學組件的一個主要特徵是它的三個透鏡，其中一個直徑為1.57 公尺（5.1 英尺）的透鏡據信是迄今為止製造的世界上最大的高性能光學透鏡。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程師、前LSST 相機專案經理Vincent Riot 表示：”勞倫斯利弗莫爾國家實驗室非常榮幸能有機會為LSST 相機設計並監督大型透鏡和光學過濾器的製造，其中包括世界上最大的透鏡。LLNL 能夠利用其幾十年來開發世界上最大激光系統所積累的大型光學技術專長，看到這個前所未有的儀器完工並準備前往魯賓天文台，我們感到非常興奮。”

IN2P3/CNRS 相機科學家皮埃爾-安蒂洛格斯（Pierre Antilogus）說：”為了製作宇宙三維電影，相機必須在大約2 秒內拍攝影像，並在90 秒內更換濾鏡。對於如此大小的相機來說，這是一項了不起的壯舉。如果說LSST 相機焦平面的尺寸是獨一無二的，那麼其內部技術的密度則更加令人印象深刻。透過負責濾光片交換系統和對焦平面的貢獻，我們的團隊很高興能夠參與到開發如此強大相機的集體冒險中來。”

這台相機的專案副經理兼相機整合經理 Travis Lange）說，對於建造這台相機並領導該專案的SLAC 團隊來說，建造這台相機也是一項有意義的挑戰：「我為我們的成果感到非常自豪。這是一個非常獨特的項目，讓我接觸到了很多不可思議的經歷–誰能想到國務卿和眾議院議長會在攝影機無塵室前召開新聞發布會？這將是一個難以追趕的項目”。

編譯自: ScitechDaily