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Die LSST-Kamera wird vor dem Transport zum Vera C. Rubin-Observatorium in Chile überprüft (Bildnachweis: SLAC)

Das Vera C. Rubin-Observatorium wird bald mit seiner zehnjährigen „Legacy Survey of Space and Time“ (LSST) beginnen und den gesamten Himmel über der südlichen Hemisphäre tausendfach überwachen. Eine Mission dieser Größenordnung erfordert eine Kamera der gleichen Größenordnung.

Glücklicherweise ist das SLAC National Accelerator Laboratory in der Lage, genau das zu bieten. Wissenschaftler und Ingenieure am SLAC haben die LSST-Kamera, die größte jemals gebaute Digitalkamera, für Rubins bahnbrechende 10-jährige Durchmusterung offiziell fertiggestellt.

Die LSST-Kamera mit 3.200 Megapixeln hat die Größe eines Kleinwagens und wiegt 3 Tonnen, was etwa der Hälfte des Gewichts eines männlichen afrikanischen Buschelefanten entspricht. Die LSST-Kamera wird mit ihrem weiten Blickfeld versuchen, die Rätsel um die dunkle Energie zu lösen, die etwa 70 % des Materie-Energie-Gehalts unseres Universums ausmacht und die Expansion des Kosmos beschleunigt.

Das LSST wird auch die dunkle Materie erforschen, die geheimnisvolle Substanz, die etwa 85 % aller Dinge im Kosmos ausmacht, obwohl sie für uns unsichtbar ist, sowie andere astronomische Fragen beantworten, während es das erstellt, was Željko Ivezić, Direktor des Rubin-Observatoriums, als „den größten Film aller Zeiten und die informativste Karte des Nachthimmels, die je erstellt wurde“, bezeichnet.

„Die von der LSST-Kamera und Rubin gesammelten Daten werden wirklich bahnbrechend sein. Sie werden wirklich einschneidende Studien über die Expansion des Universums und die dunkle Energie ermöglichen“, sagte Aaron Roodman, SLAC-Professor und stellvertretender Direktor des Rubin-Observatoriums und Leiter des Kameraprogramms, gegenüber kosmischeweiten.de. „Die LSST-Durchmusterung wird es uns ermöglichen, Milliarden von Galaxien, geschätzte 17 Milliarden Sterne in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, und Millionen von Objekten im Sonnensystem zu sehen.

„Wir werden uns nicht einzelne Objekte ansehen. Wir werden uns alles ansehen, was am Nachthimmel von unserem Standort auf einem Berg in Chile aus zu sehen ist.

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Gerendertes Bild der Vera C. Rubin-Anlage auf einem Berggipfel (Bildnachweis: Rubin Observatory/NSF/AURA)

Das große Bild wieder und wieder sehen

Bilder von leistungsstarken Teleskopen haben oft ein unverwechselbares „Aussehen“, das sie unterscheidbar macht. Helle Objekte in den Bildern des James-Webb-Weltraumteleskops weisen beispielsweise charakteristische „Beugungsspitzen“ auf, die die Herkunft dieser Bilder deutlich machen. Was wird also das Besondere an den Bildern sein, die von der LSST-Kamera und Rubin erzeugt werden? „Das ist eine gute Frage, denn unsere Bilder werden ganz anders aussehen“, so Roodman. „Man wird nicht in der Lage sein, eine einzelne Galaxie so scharf zu sehen wie mit einem Weltraumteleskop wie dem JWST, aber man wird einen großen Teil des Himmels sehen können.

„Das Erstaunliche an unseren Bildern wird also sein, wie groß sie sind, wie viel Fläche sie am Himmel abdecken und wie viele Sterne und Galaxien sie enthalten.“

Diese enorme Größe bedeutet jedoch nicht, dass die LSST-Kamera bei der Detailgenauigkeit nachlässig sein wird.

„Ihre Bilder sind so detailliert, dass sie einen Golfball aus einer Entfernung von etwa 15 Meilen auflösen könnte, während sie einen Bereich des Himmels abdeckt, der siebenmal breiter als der Vollmond ist“, fügte Roodman hinzu.

Die fertige LSST-Kamera, ein großes Instrument für eine große Mission (Bildnachweis: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)

Einer der Hauptvorteile der LSST-Durchmusterung ist die Tatsache, dass sie immer wieder denselben Himmelsausschnitt betrachtet. Dadurch können die Wissenschaftler alle Veränderungen, die in dieser Region im Laufe von 10 Jahren auftreten, genau beobachten.

Das bedeutet, dass man beobachten kann, wie flüchtige Ereignisse wie Supernovas aufleuchten und abklingen, die Krümmung des Lichts von weit entfernten Quellen beobachten kann, die durch die Schwerkraft der vorbeiziehenden Materie (einschließlich der dunklen Materie) verursacht wird, und die Ausdehnung des Raumgefüges selbst verfolgen kann, wenn es entfernte Galaxien wegschiebt. Diese Galaxien werden dank des Einflusses der dunklen Energie immer schneller weggleiten.

„Das ist mein Hauptinteresse an Rubin und der LSST-Durchmusterung: die Untersuchung der Expansion des Universums und der dunklen Energie“, sagte Roodman. „Dunkle Energie ist nur unser Name für ein Phänomen, das wir nicht vollständig verstehen, aber die Daten, die wir jetzt haben, sind nicht so präzise wie das, was wir von Rubin lernen können.“

Bevor die LSST-Kamera den Wissenschaftlern helfen kann, Detektiv zu spielen, um die dunkle Energie und andere kosmische Geheimnisse zu erforschen, muss sie jedoch vom SLAC in Menlo Park, Kalifornien, zum 2713 Meter hohen Cerro Pachón in den Anden transportiert werden. Dort wird er später in diesem Jahr auf das Simonyi Survey Telescope gehievt.

Es ist nicht nur die Größe der LSST-Kamera, die diesen Transport schwierig macht. Die Kamera ist auch bemerkenswert empfindlich, da ihre Brennebene aus 201 einzelnen, speziell entwickelten CCD-Sensoren besteht. Diese sind 5 Mikrometer flach, wobei die Abweichungen in der Ebenheit nicht größer sind als ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist laut Roodman zwischen 50 und 100 Mikrometer dick.

Der Spalt zwischen den Sensoren ist etwa einen halben Millimeter breit, was bedeutet, dass die Vermeidung von Kollisionen während der Herstellung eine große Herausforderung war – und auch während des Transports eine Herausforderung bleibt.

Das Team hat den Weg, den die LSST-Kamera nehmen wird, bereits mit einem „Massensurrogat“ getestet, das dasselbe Gewicht und dieselbe Form hat wie die Kamera. Dieses Surrogat wurde mit Beschleunigungsmessern ausgestattet, um die auf die LSST-Kamera einwirkenden Belastungen zu ermitteln, einschließlich derjenigen, die auf der Reise nach Chile per Flugzeug auftreten können.

„Dieser Test war sehr erfolgreich, und wir haben eine Menge Arbeit geleistet, um die Unsicherheiten beim Transport zu verringern“, sagte Roodman. „Es könnte aber immer noch nervenaufreibend sein, zu sehen, wie es in ein Flugzeug geladen und nach Chile geschickt wird.“

Sobald das LSST in den Positionssystemen montiert ist, von denen es abhängen wird, wie z. B. die Einheiten, die seine Bildsensoren auf minus 148 Grad Fahrenheit (minus 100 Grad Celcius) kühlen, wird es eingerichtet und betriebsbereit gemacht.

„Wir werden dann Tests durchführen, um zu prüfen, ob die Kamera gut funktioniert und ob das gesamte Teleskop als integriertes System funktioniert“, so Roodman. „Dann haben wir einen Zeitraum von 18 Wochen, in dem wir mit der Aufnahme von Bildern beginnen werden.“

Das erste Bild, das die LSST-Kamera aufnehmen wird, steht noch nicht fest, aber Roodman geht davon aus, dass es sich um einen Himmelsausschnitt mit einer großen hellen Galaxie handeln wird. Er fügte hinzu, dass die Freigabe der ersten LSST-Bilder für die Öffentlichkeit derzeit für das Frühjahr nächsten Jahres geplant ist.

„Ich bin sehr aufgeregt, die ersten LSST-Bilder zu sehen“, sagte der Forscher abschließend. „Ich arbeite seit Januar 2011 an diesem Projekt, als ich dem LSST-Kamerateam beitrat, und die Geschichte des Projekts am SLAC reicht sogar noch weiter zurück. Die Fertigstellung dieser Kamera und ihrer ersten Bilder hat lange auf sich warten lassen.“