文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的LSST相機(jī)是一項(xiàng)引領(lǐng)天文學(xué)領(lǐng)域的重大成就。通過(guò)LSST相機(jī)，科學(xué)家將能夠以前所未有的精度觀測(cè)宇宙，從而更深入地了解宇宙的結(jié)構(gòu)和演化，特別是暗能量和暗物質(zhì)等神秘現(xiàn)象。LSST相機(jī)的建設(shè)與合作涉及多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)，展現(xiàn)了全球科學(xué)界在追求知識(shí)和探索宇宙奧秘方面的協(xié)同努力。LSST相機(jī)的建設(shè)對(duì)天文學(xué)領(lǐng)域有哪些重大意義？它將如何推動(dòng)天文學(xué)的發(fā)展？LSST相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是什么？它是如何實(shí)現(xiàn)高速、高精度的觀測(cè)的？

一覽：

• 經(jīng)過(guò)20年的研發(fā)，美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的LSST（時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查）相機(jī)終于完成建設(shè)。
• SLAC聯(lián)手多所研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的LSST融合了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，將以前所未有的精細(xì)度觀察宇宙。
• 這臺(tái)3200萬(wàn)像素的相機(jī)可用于研究暗物質(zhì)和暗能量，加深人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。
• LSST的6個(gè)濾鏡、創(chuàng)新的濾鏡更換器、快速讀出電子設(shè)備、CCD探測(cè)器等部件共同造就了其超高性能。
• 優(yōu)化讀出設(shè)備，能使LSST能夠高效地處理數(shù)據(jù)，為未來(lái)天文學(xué)的重大突破鋪平了道路。
• 部分技術(shù)仍處于調(diào)試階段，但LSST的首批太空?qǐng)D像預(yù)計(jì)將于2025年春季問(wèn)世。

經(jīng)過(guò)20余年的努力，美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的LSST（時(shí)空遺產(chǎn)調(diào)查）相機(jī)已完成建設(shè)，即將安裝在智利安第斯山脈塞羅帕雄山海拔2700米的天文望遠(yuǎn)鏡上。塞羅帕雄山是全球最佳天文觀測(cè)地點(diǎn)之一，歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）[1]和ALMA[2]等眾多大型設(shè)備皆坐落在該地。

3200萬(wàn)像素的LSST相機(jī)僅用三天就能掃描整個(gè)天空，每晚拍攝800張圖像，每張圖像覆蓋的面積是月球的40倍，以前所未有的精細(xì)度觀察宇宙。LSST還將加深人類(lèi)對(duì)暗能量的理解。在暗能量的作用下，宇宙加速膨脹。LSST可以檢測(cè)出“弱引力透鏡效應(yīng)”——遙遠(yuǎn)的背景星系發(fā)出的光被前景星系輕微扭曲之后，產(chǎn)生的一種像的形變效應(yīng)。研究弱引力透鏡效應(yīng)，能判斷出宇宙質(zhì)量分布隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，從而得知宇宙膨脹的情況。

科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的85%。LSST能觀察星系的分布及其隨時(shí)間的演變，尋找神秘的暗物質(zhì)。

LSST相機(jī)是SLAC與多家國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的合作成果。隸屬于美國(guó)能源部的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)制造相機(jī)的數(shù)碼傳感器陣列。同時(shí)，隸屬于美國(guó)能源部的國(guó)家核安全局的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)制造鏡頭。法國(guó)國(guó)家核物理與粒子物理研究所（IN2P3/CNRS）參與了傳感器和電子原件的設(shè)計(jì)，還制造了濾鏡更換系統(tǒng)，讓LSST能拍攝從紫外線到紅外線六個(gè)光波段的圖像。

IN2P3/CNRS亞原子物理和宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LPSC）[3] 研究員Johan Bregeon 2019年起參與LSST相機(jī)的研制。他介紹：“LSST大約有一輛汽車(chē)大小。” 相機(jī)重約3000公斤，有三個(gè)鏡頭，前置鏡頭的直徑約為160厘米，是有史以來(lái)最大的高性能光學(xué)鏡頭。

01 顛覆天文學(xué)的巨型相機(jī)

Bregeon 說(shuō)：“LSST不僅是拍攝太空美圖的‘大相機(jī)’。它能將捕捉的光線以最高的忠實(shí)度還原，在天文界具有顛覆性意義。”

圖片來(lái)源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室 - LSST相機(jī)的前視圖，顯示了其內(nèi)部3200萬(wàn)像素的焦平面。

LSST三鏡頭系統(tǒng)可用于視野校正，這樣不必?cái)U(kuò)大設(shè)備尺寸也能觀察到更大范圍的天空。鏡頭的焦平面處裝有CCD探測(cè)器，負(fù)責(zé)捕捉收集光線。LSST的另一個(gè)重要部件是濾鏡更換器。Bregeon 說(shuō)：“在天文學(xué)特別是宇宙學(xué)研究中，須要以多個(gè)光學(xué)波段觀察天空，最長(zhǎng)的波段接近近紅外。使用濾鏡，就能只讓特定波段的光線通過(guò)鏡片?！?/p>

02 精密的濾鏡更換系統(tǒng)

IN2P3/CNRS設(shè)計(jì)的濾鏡更換系統(tǒng)由一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)、六個(gè)濾鏡和一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)組成，可以在兩分鐘內(nèi)完成一次濾鏡切換?！盀V鏡是直徑為75厘米的圓形鏡片。最輕的25公斤，最重的38公斤，所在的位置偏差不能超過(guò)幾百微米。LSST使用期間須要頻繁切換濾鏡，每晚若干次。在LSST的長(zhǎng)達(dá)十年的服役周期中，要完成10萬(wàn)次切換?？紤]到機(jī)械的老化，設(shè)計(jì)方案的實(shí)施難度很高?！?/p>

圖片來(lái)源：Chris Smith/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室- LSST照相機(jī)主要部件示意圖。

濾鏡更換系統(tǒng)必須跟濾鏡裝載系統(tǒng)配合運(yùn)行?！把b載系統(tǒng)負(fù)責(zé)從匣子中取出一個(gè)濾鏡，待原先的濾鏡取下后，插入濾鏡室的轉(zhuǎn)盤(pán)中。裝載器由我所在的LPSC團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、測(cè)試、制造和驗(yàn)證?！?/p>

03 法國(guó)科學(xué)家大幅提升CCD探測(cè)器數(shù)據(jù)讀出速度

LSST的技術(shù)挑戰(zhàn)不僅在于其舉世無(wú)雙的體積，還在于必須能快速讀取CCD探測(cè)器的數(shù)據(jù)。目前類(lèi)似的天文相機(jī)讀取幾億像素大約需要30秒?！暗覀兿Ｍ鸏SST每晚進(jìn)行1500次以上的曝光，30秒太長(zhǎng)了?！盠PSC研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)電子設(shè)備的讀出效率進(jìn)行了大幅優(yōu)化提升，現(xiàn)在大約2秒內(nèi)就能讀取30億像素。“我們還深度研究了CCD探測(cè)器的原理，以確保相機(jī)輸出原始數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生的圖像盡可能忠實(shí)地反映天空的景象?！?/p>

目前有多所實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)原始圖像校準(zhǔn)還原技術(shù)，盡可能提高LSST的成像質(zhì)量，但仍處于調(diào)試階段。“我現(xiàn)在在分析去年相機(jī)在SLAC試運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，檢查鏡頭與相機(jī)焦平面的對(duì)準(zhǔn)情況?！?LSST首批太空成像預(yù)計(jì)將于2025年春季問(wèn)世。