近日，坐落在加州門(mén)洛帕克（Menlo Park）的美國(guó)能源部 SLAC 實(shí)驗(yàn)室，成功拍攝了了人類首張 32 億像素的花椰菜照片，這也是有史以來(lái)單次拍攝像素最大的一張照片。

由于該圖像的像素太高，以至于需要 378 個(gè) 4K 超高清電視屏幕才能顯示完整的尺寸。并且由于其超高的分辨率，人們可以使用該技術(shù)在 15 英里外觀察一個(gè)高爾夫球。

此次首張 32 億像素照片的拍攝，是對(duì)一月份組裝完成的 LSST 相機(jī)的測(cè)試，其未來(lái)也將成為魯賓天文臺(tái)的核心靈魂。

美國(guó)能源部勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 LSST 相機(jī)項(xiàng)目經(jīng)理 Vincent Riot 說(shuō)：“這對(duì)我們來(lái)講是一個(gè)巨大的里程碑。焦平面將產(chǎn)生 LSST 圖像，因此它是魯賓天文臺(tái)的干練而靈敏的眼睛。”

SLAC 天文臺(tái)負(fù)責(zé)人 Steven Kahn 表示：“這項(xiàng)成就是整個(gè)魯賓天文臺(tái)項(xiàng)目中最重要的一項(xiàng)。LSST 相機(jī)焦平面的完成及其成功的測(cè)試是相機(jī)團(tuán)隊(duì)取得的巨大勝利，它將使魯賓天文臺(tái)能夠完成下一代天文科學(xué)的要求?！?/p>

最佳科學(xué)技術(shù)奇跡

在某種程度上，焦平面類似于數(shù)碼消費(fèi)相機(jī)或手機(jī)相機(jī)的成像傳感器：它能捕獲從物體發(fā)射或反射的光，并將其轉(zhuǎn)換為用于產(chǎn)生數(shù)字圖像的電信號(hào)。

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)單獨(dú)的傳感器或電荷耦合器件（CCD），每個(gè)傳感器都能將 1600 萬(wàn)像素的圖像帶到桌面上，與大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)的成像傳感器數(shù)量大致相同。

在美國(guó)能源部的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，9 套 CCD 及其配套的電子設(shè)備被組裝成叫做“科學(xué)筏”的方形單元，并被運(yùn)往 SLAC。之后，攝影小組將其中的 21 個(gè)筏，加上另外 4 個(gè)不用于成像的特種筏插入網(wǎng)格中，并將它們固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

焦平面具有一些不同尋常的特性。它不僅包含多達(dá) 32 億個(gè)像素點(diǎn)，而且像素也非常小（約 10 微米寬），并且焦平面本身非常平坦，其變化幅度不超過(guò)人類頭發(fā)寬度的十分之一。這使相機(jī)可以產(chǎn)生非常高分辨率的清晰圖像。

與全畫(huà)幅消費(fèi)相機(jī)（full－frame consumer camera）1．4 英寸寬的成像傳感器相比，其焦平面的寬度高達(dá)超過(guò) 2 英尺，這樣的大小足以捕獲約 40 個(gè)滿月大小的天空。

最后，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)方式是：成像傳感器能夠發(fā)現(xiàn)比肉眼可見(jiàn)的物體還要暗 1 億倍的物體，而這種靈敏度使人們可以看到數(shù)千英里外的蠟燭。

加州大學(xué)圣克魯斯分校 LSST 相機(jī)項(xiàng)目的科學(xué)家 Steven Ritz 說(shuō)：“這些特征令人震驚。這種強(qiáng)大的功能將使魯賓天文臺(tái)浩大的科學(xué)計(jì)劃得以實(shí)現(xiàn)。”

未來(lái) 10 年，這臺(tái)相機(jī)將收集約 200 億個(gè)星系的圖像。Ritz 說(shuō)：“這些數(shù)據(jù)將提高我們對(duì)銀河系如何隨時(shí)間演變的認(rèn)識(shí)，并將使我們比以往任何時(shí)候都更深入、更精確地測(cè)試我們的暗物質(zhì)和暗能量模型。”

高風(fēng)險(xiǎn)的組裝過(guò)程

焦平面完成于今年早些時(shí)候結(jié)束，SLAC 機(jī)組人員花了六個(gè)月的時(shí)間才將 25 個(gè)筏插入網(wǎng)格狹窄的槽中。為了使成像區(qū)域最大化，相鄰筏上傳感器之間的距離應(yīng)小于五根人類頭發(fā)的寬度。由于成像傳感器相互接觸時(shí)很容易破裂，這使得整個(gè)操作變得非常棘手。

此外，這些筏也非常昂貴，每一片的成本高達(dá) 300 萬(wàn)美元。

負(fù)責(zé)傳感器集成一線工作的 SLAC 機(jī)械工程師 Hannah Pollek 說(shuō)：“高風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)格的要求使得這個(gè)項(xiàng)目非常具有挑戰(zhàn)性。但是我們有一支多才多藝的團(tuán)隊(duì)，導(dǎo)致我們最后的成功。”

LSST相機(jī)的完整焦平面寬度超過(guò)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

該團(tuán)隊(duì)成員花了將近一年的時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備筏的安裝。他們安裝了許多沒(méi)有進(jìn)入最終焦平面的“練習(xí)”筏。這使得他們能夠使用 SLAC 的 Ravis Lange 開(kāi)發(fā)的專用龍門(mén)架將 2 英尺高、20 磅重的筏完美地拉入網(wǎng)格。

SLAC 的 LSST 相機(jī)集成和測(cè)試團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Tim Bond 表示：“單個(gè)相機(jī)組件的巨大尺寸令人印象深刻，而研發(fā)這些組件的團(tuán)隊(duì)合作規(guī)模也令人印象深刻。完成焦平面組裝需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)，所有參與此項(xiàng)工作的人都能迎接挑戰(zhàn)?！?/p>

拍攝首張32億像素圖像

由于冠狀疫情大流行而導(dǎo)致幾個(gè)月無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，因此攝像小組在 5 月才恢復(fù)工作，但工作量有限且遵循嚴(yán)格的社交距離要求。目前正在進(jìn)行大量的測(cè)試，以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。

其中一項(xiàng)測(cè)試就是對(duì)各種物體進(jìn)行的首個(gè) 32 億像素圖像的拍攝，其中包括物體Romanesco（一種花椰菜）的頭部。

為了在沒(méi)有完全組裝好相機(jī)的情況下做到這一點(diǎn)，SLAC 團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè) 150 微米的針孔將圖像投影到焦平面上。

SLAC團(tuán)隊(duì)使用針孔將圖像投影到焦平面來(lái)拍攝花椰菜圖像

SLAC 負(fù)責(zé) LSST 相機(jī)組裝和測(cè)試的科學(xué)家 Aaron Roodman 說(shuō)：“拍攝這些圖像是一項(xiàng)重大成就。憑借嚴(yán)格的規(guī)格，我們真正突破了利用焦平面每平方毫米可能性的極限，并最大限度地利用了我們可以目前可以用到的科學(xué)技術(shù)?！?/p>

LSST相機(jī)的焦平面的表面積足夠大且分辨率非常高，可以在15英里外發(fā)現(xiàn)一個(gè)高爾夫球

下一步，獲取該圖像所使用傳感器陣列將被集成到目前 SLAC 正在建造的世界上最大的數(shù)碼相機(jī)中。

一旦被安裝在智利的魯賓天文臺(tái)，這臺(tái)攝像機(jī)將拍攝出整個(gè)南部天空的全景圖像——以每晚拍攝一次全景的工作方式運(yùn)行超過(guò)十年。

最后的沖刺階段

隨著該團(tuán)隊(duì)完成相機(jī)的組裝，還有更多具有挑戰(zhàn)性的工作擺在面前。

在接下來(lái)的幾個(gè)月中，他們將把帶有焦平面的低溫恒溫器插入相機(jī)機(jī)身，并增加相機(jī)的鏡頭，包括世界上最大的光學(xué)鏡頭、快門(mén)和濾光片交換系統(tǒng)，用于研究不同顏色的夜空。

到 2021 年末，這款汽車 SUV 大小的攝像頭將在開(kāi)始前往智利的旅程前完成最終測(cè)試。

SLAC 首席研究官兼基礎(chǔ)物理學(xué)副實(shí)驗(yàn)室主任 JoAnne Hewett 說(shuō)：“相機(jī)獲取首張圖像非常令人興奮，我們?yōu)槟茉诮ㄔ祠斮e天文臺(tái)這一關(guān)鍵組件中發(fā)揮如此重要的作用而感到自豪。這是一個(gè)里程碑，它使我們?cè)谔剿饔钪娴幕締?wèn)題上又邁進(jìn)了一大步，這是我們以前無(wú)法做到的。”

預(yù)計(jì)天文臺(tái)的相機(jī)將在 2022 年下半年開(kāi)始拍攝天空?qǐng)D像，而不是西蘭花。

相關(guān)技術(shù)資料

時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目（Legacy Survey of Space and Time，LSST）就像是一個(gè)目錄，記錄了比地球上人類數(shù)量還要多出很多的星系，以及無(wú)數(shù)的天體物體的運(yùn)動(dòng)。該天文臺(tái)將使用 LSST 相機(jī)拍攝有史以來(lái)最大的天文影像，并向人們揭示宇宙中一些人們較為關(guān)心的謎團(tuán)，包括暗物質(zhì)和暗能量。

LSST 相機(jī)的建造由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助，是一項(xiàng)合作的項(xiàng)目，涉及到 SLAC、Brookhaven 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、普渡大學(xué)、加州大學(xué)戴維斯分校、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）和法國(guó)國(guó)家核與粒子物理研究所（IN2P3）。

SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）是一個(gè)充滿活力的多程序?qū)嶒?yàn)室，致力于探索宇宙如何以最大、最小和最快的尺度運(yùn)轉(zhuǎn)，并發(fā)明了全球科學(xué)家使用的強(qiáng)大工具。其研究領(lǐng)域涵蓋粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)和宇宙學(xué)、材料、化學(xué)、生物和能源科學(xué)以及科學(xué)計(jì)算，幫助解決現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題并增進(jìn)國(guó)家利益。

SLAC 由斯坦福大學(xué)為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室運(yùn)營(yíng)?？茖W(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的挑戰(zhàn)。

魯賓天文臺(tái)（Rubin Observatory）是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部科學(xué)辦公室共同資助的聯(lián)邦項(xiàng)目，其早期建設(shè)資金是通過(guò) LSST 公司從私人捐款中獲得的。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的 LSST（現(xiàn)為魯賓天文臺(tái)）建設(shè)項(xiàng)目辦公室是由天文研究大學(xué)協(xié)會(huì)（AURA）管理的運(yùn)營(yíng)中心。能源部資助的魯賓天文臺(tái) LSST 攝像機(jī)建造工作由 SLAC 管理。
責(zé)編AJX