近日，坐落在加州門洛帕克（Menlo Park）的美國能源部 SLAC 實驗室，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 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在 15 英里外觀察一個高爾夫球。

此次首張 32 億像素照片的拍攝，是對一月份組裝完成的 LSST 相機的測試，其未來也將成為魯賓天文臺的核心靈魂。

美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 LSST 相機項目經理 Vincent Riot 說：“這對我們來講是一個巨大的里程碑。焦平面將產生 LSST 圖像，因此它是魯賓天文臺的干練而靈敏的眼睛?！?/p>

SLAC 天文臺負責人 Steven Kahn 表示：“這項成就是整個魯賓天文臺項目中最重要的一項。LSST 相機焦平面的完成及其成功的測試是相機團隊取得的巨大勝利，它將使魯賓天文臺能夠完成下一代天文科學的要求?！?/p>

最佳科學技術奇跡

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

但是，LSST 相機的焦平面要復雜得多。事實上，它包含 189 個單獨的傳感器或電荷耦合器件（CCD），每個傳感器都能將 1600 萬像素的圖像帶到桌面上，與大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)碼相機的成像傳感器數(shù)量大致相同。

在美國能源部的布魯克海文國家實驗室，9 套 CCD 及其配套的電子設備被組裝成叫做“科學筏”的方形單元，并被運往 SLAC。之后，攝影小組將其中的 21 個筏，加上另外 4 個不用于成像的特種筏插入網格中，并將它們固定在適當?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 32 億個像素點，而且像素也非常小（約 10 微米寬），并且焦平面本身非常平坦，其變化幅度不超過人類頭發(fā)寬度的十分之一。這使相機可以產生非常高分辨率的清晰圖像。

與全畫幅消費相機（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超過 2 英尺，這樣的大小足以捕獲約 40 個滿月大小的天空。

最后，整個望遠鏡的設計方式是：成像傳感器能夠發(fā)現(xiàn)比肉眼可見的物體還要暗 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。

加州大學圣克魯斯分校 LSST 相機項目的科學家 Steven Ritz 說：“這些特征令人震驚。這種強大的功能將使魯賓天文臺浩大的科學計劃得以實現(xiàn)。”

未來 10 年，這臺相機將收集約 200 億個星系的圖像。Ritz 說：“這些數(shù)據將提高我們對銀河系如何隨時間演變的認識，并將使我們比以往任何時候都更深入、更精確地測試我們的暗物質和暗能量模型?！?/p>

高風險的組裝過程

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

此外，這些筏也非常昂貴，每一片的成本高達 300 萬美元。

負責傳感器集成一線工作的 SLAC 機械工程師 Hannah Pollek 說：“高風險和嚴格的要求使得這個項目非常具有挑戰(zhàn)性。但是我們有一支多才多藝的團隊，導致我們最后的成功。”

LSST相機的完整焦平面寬度超過2英尺，包含189個獨立傳感器，將產生32億像素的圖像

該團隊成員花了將近一年的時間來準備筏的安裝。他們安裝了許多沒有進入最終焦平面的“練習”筏。這使得他們能夠使用 SLAC 的 Ravis Lange 開發(fā)的專用龍門架將 2 英尺高、20 磅重的筏完美地拉入網格。

SLAC 的 LSST 相機集成和測試團隊的負責人 Tim Bond 表示：“單個相機組件的巨大尺寸令人印象深刻，而研發(fā)這些組件的團隊合作規(guī)模也令人印象深刻。完成焦平面組裝需要一個精心設計的團隊，所有參與此項工作的人都能迎接挑戰(zhàn)。”

拍攝首張32億像素圖像

由于冠狀疫情大流行而導致幾個月無法進入實驗室，因此攝像小組在 5 月才恢復工作，但工作量有限且遵循嚴格的社交距離要求。目前正在進行大量的測試，以確保焦平面滿足支持魯賓天文臺科學計劃所需的技術要求。

其中一項測試就是對各種物體進行的首個 32 億像素圖像的拍攝，其中包括物體Romanesco（一種花椰菜）的頭部。

為了在沒有完全組裝好相機的情況下做到這一點，SLAC 團隊使用了一個 150 微米的針孔將圖像投影到焦平面上。

SLAC團隊使用針孔將圖像投影到焦平面來拍攝花椰菜圖像

SLAC 負責 LSST 相機組裝和測試的科學家 Aaron Roodman 說：“拍攝這些圖像是一項重大成就。憑借嚴格的規(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技術?！?/p>

LSST相機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)碼相機中。

一旦被安裝在智利的魯賓天文臺，這臺攝像機將拍攝出整個南部天空的全景圖像——以每晚拍攝一次全景的工作方式運行超過十年。

最后的沖刺階段

隨著該團隊完成相機的組裝，還有更多具有挑戰(zhàn)性的工作擺在面前。

在接下來的幾個月中，他們將把帶有焦平面的低溫恒溫器插入相機機身，并增加相機的鏡頭，包括世界上最大的光學鏡頭、快門和濾光片交換系統(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始前往智利的旅程前完成最終測試。

SLAC 首席研究官兼基礎物理學副實驗室主任 JoAnne Hewett 說：“相機獲取首張圖像非常令人興奮，我們?yōu)槟茉诮ㄔ祠斮e天文臺這一關鍵組件中發(fā)揮如此重要的作用而感到自豪。這是一個里程碑，它使我們在探索宇宙的基本問題上又邁進了一大步，這是我們以前無法做到的?！?/p>

預計天文臺的相機將在 2022 年下半年開始拍攝天空圖像，而不是西蘭花。

相關技術資料

時空遺產調查項目（Legacy Survey of Space and Time，LSST）就像是一個目錄，記錄了比地球上人類數(shù)量還要多出很多的星系，以及無數(shù)的天體物體的運動。該天文臺將使用 LSST 相機拍攝有史以來最大的天文影像，并向人們揭示宇宙中一些人們較為關心的謎團，包括暗物質和暗能量。

LSST 相機的建造由美國能源部科學辦公室資助，是一項合作的項目，涉及到 SLAC、Brookhaven 國家實驗室、Lawrence Livermore 國家實驗室、哈佛大學、賓夕法尼亞大學、普渡大學、加州大學戴維斯分校、法國國家科學研究中心（CNRS）和法國國家核與粒子物理研究所（IN2P3）。

SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）是一個充滿活力的多程序實驗室，致力于探索宇宙如何以最大、最小和最快的尺度運轉，并發(fā)明了全球科學家使用的強大工具。其研究領域涵蓋粒子物理學、天體物理學和宇宙學、材料、化學、生物和能源科學以及科學計算，幫助解決現(xiàn)實世界中的問題并增進國家利益。

SLAC 由斯坦福大學為美國能源部科學辦公室運營?？茖W辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代最緊迫的挑戰(zhàn)。

魯賓天文臺（Rubin Observatory）是由美國國家科學基金會和能源部科學辦公室共同資助的聯(lián)邦項目，其早期建設資金是通過 LSST 公司從私人捐款中獲得的。由美國國家科學基金會資助的 LSST（現(xiàn)為魯賓天文臺）建設項目辦公室是由天文研究大學協(xié)會（AURA）管理的運營中心。能源部資助的魯賓天文臺 LSST 攝像機建造工作由 SLAC 管理。
責編AJX