Октябрь 9th, 2019 
matkiN133 
Телескоп LSST, или Большой синоптический обзорный телескоп, который нацелен на постоянный мониторинг неба, получит самый большой в истории объектив с диаметром 157 см. По сути, это самая большая цифровая камера в мире, разрешением 3200-МП.
С вводом в астрономию цифровых датчиков и компьютеров, которые заменили стеклянные пластины, способности возросли до одновременно анализа света от миллионов звёзд вместо нескольких или дюжины объектов, как когда-то делал человек. Это изменило мировую науку в 90-х годах. Всё более крупные наборы данных позволили нам взглянуть на пространство по-другому, более целостным взглядом. Учёные запустили многочисленные проекты, задачей которых является использование достижений науки, для регулярного просмотра огромных участков неба с относительно высокой частотой.
Наблюдения за большими фрагментами космоса имеют смысл из-за повышенной вероятности выявления редких явлений. А также способности создавать модели и анализировать популяции звёзд не только в небольших, но и крупных структурах, как Галактика или даже Вселенная.
Читайте также: 21 фото показывающее величие нашего мира, сделанное беспилотным дроном
Для астрономов, исследования неба SDSS (Sloan Digital Sky Survey), всё ещё очень важный процесс. Исследования всего неба 2MASS (два микрона) проводились в 1997-2001 годах или в то время, когда мы приближались к GAIA, то есть космическому телескопу, целью которого является точное измерение положения звёзд. Тем не менее аппетит приходит с едой. Поэтому было решено начать строительство нового и самого большого телескопа.
3200-мегапиксельная камера для обзора неба
Одним из наиболее амбициозных проектов, который должен увидеть свет в 2021 году (оперативная готовность) и на рубеже 2022/2023 годов начать регулярные наблюдения, является LSST или Большой синоптический обзорный телескоп. В его основе — оптический телескоп, оснащённый матричным сенсором ПЗС (прибор с зарядовой связью), разрешением 3,2 гигапикселя и диаметром 64 см.
189-датчиков 16-мегапиксельных систем занимают площадь, в 370 раз превышающую размер полнокадрового датчика.
Он был создан из комбинации 189 меньших квадратных ПЗС-датчиков, которые размещены на металлической ферме, системами. Системы охлаждаются до температуры — 100 градусов по Цельсию с помощью огромного криостата, соединённого с платформой, на которой и расположены. На этапе сборки телескопа и испытаний основной оптической системы будет использоваться камера меньшего размера, состоящая из одной системы и 9 матриц, с разрешением 144-МП.
Полноценная камера появится в 2020 году, когда будет завершено сборочное строительство, хотя всё самые важные компоненты достигли Чили уже этим летом. Мегасенсор на 3200-МП в сочетании с телескопом, оснащённым равномерным зеркалом диаметром 8,4 метра, размещённым на сотовой основе (самое большое в классе, как и зеркало третьего порядка диаметром 5 метров, соединённое в единую конструкцию), будет иметь поле зрения, соответствующее области 40 полнолуний.
С точки зрения человека, фотографирующего на цифровую камеру или смартфон, это поле зрения, требует многократного использования телеобъектива (эквивалентно примерно 30-кратному увеличению в камерах смартфона).
Телескоп LSST имеет поле зрения, эквивалентное объективу около 700 мм.
Для астрономов, зачастую использующих телескопы с камерами, для которых достаточно одной луны, чтобы заполнить весь кадр, поле обзора LSST огромно. Этот телескоп сможет захватывать более 1000 пар изображений в течение 15 секунд, с разных мест неба, за одну ночь. Парная съёмка необходима для обнаружения и устранения помех, вызванных космическими лучами (на снимках они напоминают точечные источники света).
Затем снимки будут преобразованы примерно в 15 терабайт данных (около 20 ТБ информации в ночное время). Проект предусматривает постоянный мониторинг 37 миллиардов звёзд и галактик, разбросанных по доступному телескопу небу. Около 50 петабайт данных наблюдений планируется собрать за 10 лет (1 петабайт = 1000 терабайт).
Компьютер, считывающий данные, должен иметь среднюю производительность 2 Терафлопса (максимум 9 Терафлопс).
Но, анализ собранных данных требует в сотни раз более высокой производительности. Благодаря современному развитию технологий, вычислительная мощность меньше всего беспокоит учёных на сегодня. Производительность компьютера, необходимая для создания исходной базы данных, составляет около 150 Терафлопс (1 терафлопс = 1 триллиону операций в секунду), когда пиковая производительность центра обработки данных LSST в итоге достигнет 2 Петафлопс (1 петафлопс = 1000 терафлопс).
Зачем нужен непрерывный мониторинг космоса?
Все наблюдение за космосом будут вестись в месте, где расположен телескоп (Чили, вокруг Ла-Серены, пик Серро-Пачон). Непрерывный мониторинг означает наблюдения, по крайней мере, каждые несколько дней и ночью на разных длинах волн. Астрономические телескопы наблюдают небо с монохромными сенсорами, которые имеют проблемы с восприятием цвета, поэтому перед ними устанавливают цветовые фильтры.
Всего будет сделано 5,5 миллиона фотографий с разрешением 3,2 гигапикселя.
Для чего? Наиболее очевидным и необходимым с нашей точки зрения объяснением является возможность — «держать руку на пульсе», т. е контролировать происходящее в Солнечной системе. Предполагается, что LSST обнаружит не менее 60% объектов диаметром более 140 метров — это будут сотни тысяч тел на разных орбитах от Земли до транснептунальных объектов. С одной стороны, это поможет обеспечить нашу безопасность, с другой — создать ещё более точную модель динамики Солнечной системы.
Как результат, это улучшит знания о формировании планетных систем, что полезно для команд, исследующих такие структуры.
Поскольку такие точные наблюдения неба никогда не проводились ранее, данные, полученные с LSST, могут способствовать обнаружению явлений, ранее неизвестных нам в космосе. А также модель галактики, созданная на основе данных с LSST, будет гораздо точнее, чем та, которую мы имеем сегодня. Наблюдения за изменчивостью неба, включая расположение светящихся звёздных объектов и галактик, изучат природу тёмной материи и энергии.
Масштаб снимков гигантский
Получение изображений в таком высоком разрешении, мы говорим об 3200-МП, то есть превышающем в 50 раз последней камеры Sony A7R IV, с 61-МП сенсором, большая проблема для электроники (хотя первоначальное считывание всех данных занимает всего 2 секунды) и оптики. Подготовка последней была длительным процессом (главное зеркало было создано ещё в 2014 году).
В дополнение к главному и двум дополнительным зеркалам, на пути прохождения света также будут находиться огромные линзы, третье, значительно меньшее по размеру. Его целью является изоляция криостата.
Размер одного пикселя в LSST составляет 10 мкм — больше, чем в полнокадровом Sony A7S II.
Первое зеркало — 157 сантиметров в диаметре, второе — почти 120 сантиметров. Обратите внимание, что речь идёт не о композитных элементах, а о монолитной оптике (относится к основным и двум дополнительным зеркалам). Получение единой, однородной конструкции без дефектов размером более 1,5 метров — задача высочайшего уровня сложности. Хотя сегодня мы используем гораздо лучшие технологии обработки материалов, чем несколько десятилетий назад.
Данные от LSST будут в 16 раз точнее, чем у лучших полнокадровых камер.
Эти линзы уже доставлены вместо интеграции с компонентами электроники и телескопа в Национальную лабораторию SLAC в Калифорнии. Вместе они сформируют самый большой и сложный корпус из когда-либо созданных цифровых камер. Камеру LSST можно сравнить с телескопом Хаббла, уменьшенным до масштаба 1: 4 (165×300 см) с весом (2,8 тонны). Но, телескоп LSST имеет 8,4-метровое зеркало в сборке со всей конструкцией, которая, в свою очередь, напоминает гигантскую трубку сжатого типа.
Камера LSST оснащена механическим затвором и набором из 5 вставных фильтров. Поскольку они должны покрывать мозаику датчиков диаметром 64 см, вы можете себе представить, насколько большими и дорогими являются эти элементы. Цена на фильтры возрастает несопоставимо с их размерами, хотя это часть стоимости всей оптики. Затвор открывается (а затем закрывается) на 1 секунду.
Конструкция камеры уже завершена почти на 95%, остальные элементы — на 72%. Однако, начнутся ли наблюдения в конце 2022 года?
Первоначально телескоп, строительство которого началось в конце 2014 года, должен был начать наблюдения в 2020 году. Преградой для достижения этой цели стала очевидная проблема с получением финансирования. Одна только камера стоит 168 миллионов долларов, что составляет примерно 1/3 от цены телескопа. Даже если телескоп и будет готов на 99%, пока он не профинансирован на этот дополнительный 1%, не сможет начать наблюдение.
Телескоп не только прибор для наблюдения — это база данных
В древние времена астрономы наблюдали небо, используя архаичные методы аналоговой фотографии. Сегодня, для анализа данных уже не используются сложные, механические измерительные устройства.
С появлением цифровой эры учёные быстро убедились в преимуществах, хотя ещё долгое время рассматривали данные, генерируемые цифровыми датчиками, как мимолётный элемент, который потеряет своё значение после анализа. Некоторые команды даже решали удалять эти данные, которых поначалу было слишком много для ёмкости имеющихся хранилищ. Это похоже на удаление фотографий, сделанных камерой или смартфоном, после предварительной оценки их полезности.
Динамическая вселенная в цвете — такие изображения мы получим благодаря наблюдениям LSST.
Сегодня такой телескоп, как LSST, следует рассматривать не только как устройство наблюдения. Вокруг него также создаётся инфраструктура вычислительного центра, ядром которого является огромная база данных. Это должно иметь ключевое значение для пользователя.
База данных наблюдений LSST будет содержать примерно 60 петабайт необработанных данных за 10 лет работы проекта (период может быть продлён), которые будут предоставлены в виде каталога с 15 петабайтами. Обработка этой информации должна привести к созданию гораздо большей (500 ПБ) визуальной базы данных, доступной для любого заинтересованного исследователя, не только учёного, но и школьника. Поэтому все смогут посвятить свои лучшие годы копанию в информации и поиску интересных явлений, объектов.
Данные LSST также будут использоваться студентами в рамках образовательных программ.
В этом случае могут быть полезны алгоритмы SI, особенно на этапе обнаружения. Однако, с научной точки зрения, их использование должно быть соответствующим образом моделировано, чтобы избежать ошибок, которые повлияют на результаты научных исследований.
Телескоп с самой большой камерой LSST — видео
Опубликовано в рубрике 
Метки: 
