Największy aparat cyfrowy na świecie ma rozdzielczość 3,2 gigapiksela

Wprowadzenie do astronomii obserwacyjnej sensorów cyfrowych, które zastąpiły szklane klisze, oraz komputerów, które są w stanie analizować jednocześnie światło milionów gwiazd, zamiast kilku, kilkunastu obiektów. co czynił kiedyś człowiek, zmieniło w latach 90. światową naukę. Coraz większe zbiory danych pozwoliły spojrzeć się na Kosmos w inny, bardziej całościowy, sposób. Naukowcy rozpoczęli liczne projekty, których zadaniem jest wykorzystanie tej masowości, czyli zdolności do regularnego przeglądu ogromnych połaci nieba ze stosunkowo dużą częstością obserwacji.

Obserwacje dużych fragmentów nieba mają sens ze względu na zwiększone prawdopodobieństwo obserwacji rzadkich zjawisk, a także możliwość tworzenia modeli i analizowania populacji gwiazd nie tylko w małych, ale i w dużych strukturach, takich jak Galaktyka czy nawet cały obserwowalny Wszechświat.

Dla astronomów cenne są takie przeglądy nieba jak SDSS (Sloan Digital Sky Survey, wciąż prowadzony), 2MASS (Two Micron All Sky Survey) realizowany w latach 1997-2001, czy też bliższa nam czasowo GAIA, czyli teleskop kosmiczny, którego celem są precyzyjne pomiary pozycji gwiazd. Jednak apetyt rośnie w miarę jedzenia. Powyżej stan zaawansowania prac latem 2019 na miejscu budowy teleskopu LSST.

Kamera 3200 Mpix i chyba najambitniejszy przegląd nieba

LSST, czyli Large Synoptic Survey Telescope, to jednen z najbardziej ambitnych projektów, który w 2021 roku ma mieć pierwsze światło (gotowość robocza), a na przełomie 2022/2023 roku rozpocząć regularne obserwacje. Jego sercem jest teleskop optyczny, który wyposażono w 3,2 gigapikselowej rozdzielczości mozaikowy sensor CCD o średnicy 64 cm.

189 układów o rozdzielczości 16 Mpix pokrywa powierzchnię 370 razy większą niż sensor pełnoklatkowy

Powstał on z połączenia 189 mniejszych, kwadratowych sensorów CCD, które umieszczono na metalowej kratownicy w sekcjach po 9 układów. Układy są chłodzone do temperatury rzędu -100 stopni Celsjusza z pomocą ogromnego kriostatu połączonego z platformą na której znajdują się sensory. Na etapie instalacji montażu teleskopu i testów głównego układu optycznego stosowana będzie mniejsza kamera składająca się z jednego układu 9 matryc o rozdzielczości 144 Mpix.

Dotrze ona na miejsce w 2020 roku gdy zakończy się budowa montażu teleskopu - wszystkie najważniejsze jego elementy dotarły tego lata do Chile. Gdy te testy się powiodą, wysłana zostanie właściwa kamera.

Wyposażona w 3200 Mpix megasensor, w połączeniu z teleskopem wyposażonym w jednolite 8,4-metrowej średnicy zwierciadło umieszczone na podstawie o strukturze plastra miodu (największe w swojej klasie, podobnie jak 5-metrowej średnicy zwierciadło trzeciego rzędu, które połączone jest z głównym w pojedynczą strukturę), uzyska pole widzenia odpowiadające powierzchni 40 Księżyców w pełni.

Z perspektywy osoby fotografującej aparatem cyfrowym czy też posiadacza smartfona pole widzenia bardzo małe, wymagające stosowania teleobiektywu o dużej krotności (odpowiednik zoomu około 30x w typowych aparatach smartfonowych).

Teleskop LSST ma pole widzenia odpowiadające obiektywowi około 700 mm

Jednak dla astronomów, którzy często używają teleskopów z kamerami, dla których już jeden Księżyc wystarczy by wypełnić cały kadr, pole widzenia LSST jest ogromne. Ten teleskop w ciągu jednej nocy wykona ponad 1000 par zdjęć naświetlanych przez 15 sekund każde, dla różnych lokalizacji na niebie. Wykonanie pary obserwacji służy detekcji i usunięciu zakłóceń jakich źródłem są promienie kosmiczne (na obrazach przypominają punktowe źródła światła).

Obserwacje przełożą się na około 15 terabajtów danych (łącznie w nocy uzyskane zostanie 20 TB informacji). Projekt zakłada stałe monitorowanie 37 miliardów gwiazd i galaktyk rozsianych po całym dostępnym dla teleskopu niebie. Przez 10 lat ma zostać zebrane około 50 petabajtów danych obserwacyjnych.

Komputer odczytujący dane musi mieć średnią wydajność 2 Tflops (9 Tflops szczytowo) - ich analiza wymaga setki razy większej wydajności

W czasach gdy zaczynano taki projekt jak OGLE (polski przegląd nieba w poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania, dziś obfitujący w analizę także innego typu obiektów i zjawisk), była to niebotyczna wydajność, nawet w przypadku samego komputera akwizycji danych. Dzięki postępowi, który możemy śledzić czytając między innymi teksty na benchmark.pl, moc obliczeniowa to dla naukowców dziś najmniejsze zmartwienie. Wydajność komputerów wymagana do stworzenia początkowej bazy danych to około 150 TFlops, ale szczytowa wydajność centrum danych LSST osiągnie ostatecznie nawet 2 Pflops.

Budynek obserwacyjny to przede wszystkim kopuła umieszczona na solidnym betonowym fundamencie, a także ogromne pomieszczenia do odświeżania powłok lustrzanych zwierciadeł. Pokój kontrolny, z którego prowadzone są obserwacje to już niewielki dodatek - połączony będzie on z centralą w La Serena 600 Gbps łączem

Ciągły monitoring nieba - czyli jak często i właściwie po co?

W przypadku tak dużego obszaru jakim jest praktyczne całe obserwowalne niebo z miejsca, w którym znajdzie się teleskop (Chile, okolice La Serena, szczyt Cerro Pachón w pobliżu południowego teleskopu Gemini), ciągłe monitorowanie ma oznaczać obserwacje co najmniej co kilka dni, a czasem nawet dwa razy w ciągu nocy, w różnych długościach fal (teleskopy astronomiczne obserwują niebo monochromatycznymi sensorami, które uczula się na kolor poprzez umieszczenie przed nimi filtrów barwnych).

Łącznie wykonane zostanie 5,5 miliona zdjęć o rozdzielczości 3,2 gigapiksela

Po co? Najbardziej oczywistym i potrzebnym z naszej lokalnej perspektywy jest trzymanie ręki na pulsie poprzez kontrolowanie tego co dzieje się w Układzie Słonecznym. Zakłada się, że LSST wykryje co najmniej 60% obiektów o rozmiarze przekraczającym 140 metrów średnicy - będą to setki tysięcy takich ciał na różnych orbitach od okolic Ziemi aż po obiekty transneptunowe. Z jednej strony pomoże to zadbać o nasze bezpieczeństwo, z drugiej pozwoli stworzyć jeszcze precyzyjniejszy model dynamiki Układu Słonecznego.

Dla laika, obraz z pojedynczego sensora (tu symulacja) nie będzie stanowił czegoś wyjątkowego. Dla astronomów będzie to spełnienie marzeń. Szczególnie gdy przemnoży się je przez 189

A to w efekcie poprawi naszą wiedzę o formowaniu się układów planetarnych, która może przydać się z kolei zespołom badającym takie pozasłoneczne struktury.

Ponieważ nigdy wcześniej nie prowadzono tak dokładnych obserwacji nieba, dane uzyskane przez LSST mogą przyczynić się do wykrycia nieznanych nam wcześniej zjawisk w Kosmosie. Również model Galaktyki jaki powstanie z danych LSST będzie dużo dokładniejszy niż te, którymi dziś dysponujemy.

Obserwacje zmienności nieba, w tym położenia świecących obiektów gwiazdowych i galaktyk, posłużą badaniom natury ciemnej materii i energii. Bo choć co rusz słyszymy, że o ich charakterze wiemy już dużo, to niewiadomych wcale nie ubywa.

Skala nie tylko danych, ale wszystkiego w LSST jest bardzo duża

Uzyskanie tak wysokiej rozdzielczości obrazu, a mowa przecież o 3200 Mpix, czyli rozdzielczości ponad 50 razy przekraczającej rozdzielczość najnowszego aparatu Sony A7R IV, który ma 61 Mpix sensor, to duże wyzwanie dla elektroniki (mimo to wstępny odczyt wszystkich danych zajmuje tylko 2 sekundy) oraz optyki. Przygotowanie tej ostatniej było długotrwałym procesem (zwierciadło główne powstało już w 2014 roku). Oprócz głównego zwierciadła i dwóch dodatkowych, na torze światła znajdą się także dwie ogromne soczewki (trzecia ma znacznie mniejszy rozmiar, a jej celem jest izolacja kriostatu).

Rozmiar pojedynczego piksela w LSST to 10 um - więcej niż w pełnoklatkowym Sony A7S II

Pierwsza soczewka ma 157 centymetrów średnicy, a druga prawie 120 centymetrów. Zwróćcie uwagę, że nie mówimy tu o elementach kompozytowych, ale o optyce monolitycznej (dotyczy to również zwierciadeł, głównego i dwóch dodatkowych). A uzyskanie jednolitej struktury, bez wad przy rozmiarze przekraczającym 1,5 metra to wyzwanie najwyższej klasy, choć dziś korzystamy z dużo lepszej technologii materiałowej niż kilkadziesiąt lat temu.

Soczewki znajdujące się przed megamozaiką sensorów kamery LSST - przednia (powyżej) i tylna (poniżej) połączone w specjalnej obudowie

Dane z LSST będą nawet 16x precyzyjniejsze niż w najlepszych aparatach pełnoklatkowych

Wspomniane soczewki zostały już dostarczone na miejsce integracji z elektroniką i elementami konstrukcyjnymi teleskopu, do SLAC National Accelerator Laboratory w Kaliforni. Razem utworzą największy i najbardziej skomplikowany korpus aparatu cyfrowego jaki kiedykolwiek powstał. Tak twierdzi zespół LSST i chyba trzeba mu przyznać rację. Kamerę LSST można porównać do teleskopu Hubble’a pomniejszonego do skali 1:4 (wymiary 165 x 300 cm) i odchudzonego w podobnym stopniu (waga 2,8 tony). Ale teleskop LSST to jeszcze wspomniane zwierciadło 8,4 metra i montaż całej konstrukcji. Który z kolei przypomina gigantyczny tubus typu naleśnik (odniesienie do obiektywów foto o spłaszczonym kształcie).

Schemat budowy kamery LSST, kolorami zaznaczone są filtry

Kamera LSST wyposażona jest w mechaniczną migawkę i zestaw 5 wsuwanych filtrów. Ponieważ mają one przesłonić 64 centymetrowej średnicy mozaikę sensorów, możecie sobie wyobrazić jak duże i kosztowne są to elementy. Cena filtrów rośnie nieporównywalnie do ich rozmiaru, choć to i tak ułamek ceny całej optyki. Migawka będzie otwierała się (a potem zamykała) przez 1 sekundę.

Główna soczewka kamery LSST i znajdująca się za nią kratownica na której zainstalowane zostaną sensory. Poniżej znajdzie się elektronika i elementy odprowadzające ciepło

Budowa kamery jest zrealizowana już w prawie 95%, pozostałe elementy w ponad 72%. Czy jednak obserwacje ruszą z kopyta pod koniec 2022 roku? To nie jest jeszcze pewne.

Początkowo teleskop, którego budowę rozpoczęto pod koniec 2014 roku, miał już w 2020 roku ruszyć z obserwacjami. Przeszkoda w realizacji wizji sprzed ponad dekady jest oczywista - kłopoty z uzyskaniem wystarczającego dofinansowania. Sama kamera to koszt 168 milionów dolarów, mniej więcej 1/3 ceny całego teleskopu. Teleskop choćby był gotowy w 99% dopóki nie zostanie sfinansowany w tym dodatkowym 1%, nie będzie mógł rozpocząć obserwacji. 

Montaż teleskopu LSST jest już gotowy i dotarł do Chile

Nowoczesny teleskop to nie tylko urządzenie obserwacyjne - to baza danych

W dawnych czasach astronomowie obserwowali niebo za pomocą archaicznych z dzisiejszej perspektywy technik fotografii analogowej, a do analizy danych wykorzystywali wymyślne, ale wciąż mechaniczne urządzenia pomiarowe.

Z nastaniem epoki cyfrowej szybko przekonali się do jej zalet, ale jeszcze długo traktowali dane generowane przez sensory cyfrowe jako element ulotny, który po analizie tracił na znaczeniu. Niektóre zespoły decydowały się nawet na usuwanie tych danych, których z początku było zbyt dużo jak na możliwości ich przechowywania. Przypomina to kasowanie zdjęć wykonanych aparatem lub smartfonem, po wstępnej ocenie ich przydatności.

Dynamiczny Wszechświat w kolorze - taki obraz uzyskamy dzięki obserwacjom LSST

W końcu, a jednymi z pionierów takiego działania byli astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego, dostrzeżono korzyści z zachowywania danych, a także udostępniania ich szerszej społeczności. To trochę jak chowanie zdjęć do szuflady, zgrywanie na zewnętrzny dysk lub wrzucanie do galerii internetowej, ale z możliwością dostępu.

Dziś teleskop taki jak LSST, należy postrzegać nie tylko jako urządzenie obserwacyjne. To także tworząca się wokół niego infrastruktura centrum obliczeniowego, której rdzeniem jest ogromna baza danych. To ona ma mieć kluczowe znaczenie dla użytkownika.

Liczba wierszy w ostatecznej bazie danych obserwacji LSST będzie liczona w bilionach

W bazie obserwacji LSST w ciągu 10 lat trwania projektu (ten okres może się wydłużyć) znajdzie się 60 petabajtów surowych danych, które udostępnione będą w postaci 15 petabajtowego katalogu danych. Przetwarzanie tych informacji ma doprowadzić do powstania wielokrotnie większej (500 PB) bazy danych wizualnych, dostępnych dla każdego zainteresowanego badacza. Nie tylko naukowców, ale i uczniów szkół. A ci będą mogli poświęcić kolejne lata na przekopywanie się przez te informacje w poszukiwaniu ciekawych zjawisk i obiektów.

Dane z LSST będą wykorzystają też uczniowie w ramach programów edukacji STEM

Przydatne w tym przypadku mogłyby okazać się algorytmy SI, szczególnie na etapie detekcji. Jednak z perspektywy naukowej, ich wykorzystanie będzie musiało być odpowiednio moderowane, by nie dopuścić do błędów, które zaważą na rezultatach badań naukowych.

Źródło: LSST, SLAC, zdjęcia: Farrin Abbott, inf. własna