近日，美国能源部国家加速器实验室的工作人员利用一系列非凡的成像传感器，拍摄了第一组 32 亿像素的数码照片。这些成像传感器将成为位于智利的薇拉·鲁宾天文台未来相机的核心和灵魂。
　　这组照片的尺寸也十分惊人，显示其中一张全尺寸照片，就需要 378 个 4K 超高清电视屏幕。它们的分辨率高达 32 亿像素，甚至可以让你从大约 15 英里外看到一个高尔夫球。很快，这些特性将前所未有地推动天体物理学研究。
　　接下来，这些传感器阵列将被集成到目前 SLAC 正在建造中的世界上最大的数码相机中。在薇拉·鲁宾天文台安装完成之后，这架照相机将在未来 10 年中，每隔几个晚上拍摄一张完整的天空全景图。它的数据将被输入到薇拉·鲁宾天文台的时空遗产调查文档（LSST，Legacy Survey of Space and Time）中，LSST 是一个包含了更多星系和无数天体运动的目录。利用这架 LSST 相机，天文台将拍摄有史以来最大的天文记录，并揭示宇宙中一些最大的谜团，包括暗物质和暗能量。
　　早在今年 1 月，SLAC 就完成了相机的焦平面组装，此次拍摄是对相机焦平面的测试。“LSST 相机是鲁宾天文台灵敏的眼睛。” LSST 相机项目经理文森特·里奥特如此评价。

　　LSST 相机焦平面的完成和测试的成功，是整个鲁宾天文台项目中最重要的成就之一，将使天文台能够探索下一代天文科学。

技术奇迹

　　在某种程度上，焦平面类似于数码相机或手机摄像头的成像传感器：它捕获物体发出或反射的光，并将其转换为电信号，用于生成数字图像。但是 LSST 相机的焦平面要复杂得多。事实上，它包含 189 个独立的传感器（CCDs），每一个都有高达 1600 万像素的分辨率。
　　在美国能源部的布鲁克海文国家实验室，9 套 CCDs 及其配套电子元件被组装成名为 “科学筏” 的方形单元，然后运往 SLAC。在那里，项目团队将其中 21 个“科学筏”，以及另外 4 个不用于成像的特殊“科学筏”，插入一个固定位置的网格中。
　　焦平面有一些非常特别的特性。它不仅包含 32 亿像素，而且像素也非常小——大约 10 微米宽，另外，焦平面本身非常平坦，起伏不超过人类头发的十分之一。这才能保证相机可以产生非常高分辨率的清晰图像。
　　这个焦平面超过 2 英尺宽，与全画幅消费相机 1.4 英寸宽的成像传感器相比，它显得非常巨大。更夸张的是，整个望远镜的设计使成像传感器能够发现比肉眼可见的物体暗 1 亿倍的物体，这种灵敏度可以在几千英里之外看到蜡烛。

　　加州大学圣克鲁兹分校 LSST 相机项目科学家史蒂文·里兹说：“这简直令人震惊。这些独特的特征将使鲁宾天文台雄心勃勃的科学计划成为可能。”
　　在10年的时间里，该相机将收集大约 200 亿个星系的图像。里兹介绍称，这些数据將提高我们对星系如何随时间演化的认识，并将使我们比以往更深入、更精确地测试暗物质和暗能量模型。这座天文台将是进行广泛科学研究的绝佳设施，从对我们太阳系的详细研究，到对通向可见宇宙边缘的遥远物体的研究。

高风险的装配过程

　　今年早些时候，经历了 6 个月的紧张工作之后，焦平面终于组装完成。SLAC 的工作人员将 25 个筏体插入网格的狭窄槽中。为了最大限度地扩大成像区域，相邻筏体上的传感器之间的间距小于 5 根人类头发的宽度。由于成像传感器很容易破裂，使得整个操作非常棘手。

　　另外，这些筏体也很昂贵，每个价值高达 300 万美元。高风险和严格的公差，都让这个项目充满挑战性。团队成员花了一年的时间准备筏体安装，他们通过安装许多没有正式进入最后焦平面组装的筏体进行“练习”。这使得他们能够完善将每个 2 英尺高、20 磅重的筏体装入网格的程序。整个安装过程使用了专门开发的特殊龙门架。
　　SLAC 的 LSST 相机集成和测试团队的负责人蒂姆·邦德说：“单个相机组件的大小令人印象深刻，团队的规模也令人印象深刻。这需要一个精心设计的团队来完成焦平面的组装，而且每个工作人员都接受了挑战。”

拍摄 32 亿像素的照片

　　拍摄时，焦平面被放置在一个低温恒温器中，传感器被冷却到零下 150 华氏度，这是它们所需的工作温度。由于新冠病毒疫情影响，项目团队有几个月不能进入实验室，今年 5 月，团队严格按照安全距离的要求，恢复了工作。目前正在进行广泛的测试，确保焦平面满足支持鲁宾天文台科学计划所需的技术要求。这些测试涉及拍摄各种物体的 32 亿像素的照片，其中包括一幅表面结构非常精细的罗马画。为了做到这一点，SLAC 团队使用了一个 150 微米的针孔将图像投射到焦平面上。

　　这些照片展示了成像传感器捕捉到的非凡细节，而且可以在网上以全分辨率浏览。拍摄这些照片是一项重大成就，在严格的规格下，SLAC 团队真的突破了利用焦平面每一平方毫米的极限，最大化利用它的科学能力。
　　今后，还有更具挑战性的工作在等着 SLAC 团队。在接下来的几个月里，他们将把带有焦平面的低温恒温器插入相机机身，并添加相机的镜头，包括世界上最大的光学镜头、快门和用于研究不同颜色夜空的滤光片交换系统。到 2021 年中期，这款有一辆 SUV 大小的相机将进行最后测试，然后启程前往智利。（摘自美《深科技》）（编辑/克珂）