Hareketsiz Resimleri unutun. Bu Yeni Gözlemevi Astronomi Videoları Yapacak

Tony Tyson oturuyordu 1970’lerin başında bir gün New Jersey’deki Bell Labs’daki ofisinde salondan bir meslektaş (ve gelecekteki Nobel Ödülü sahibi) yürüdüğünde. Willard Boyle ile çalışan George Smith son zamanlarda yeni bir elektronik cihaz türü icat etti. “Bana bir tarafta birkaç milimetre ölçen küçük gri lekeli bir çip uzattı,” diye hatırlıyor Tyson. “İt Biz buna şarj bağlı bir cihaz diyoruz ve görüntüler yapabilir. Aslında, onu Picturephone’da kullanıyoruz. ”Dedim,“ George, bu gerçekten harika, ama size plakalarımı göstereyim. ””

Deneysel bir fizikçi olarak eğitim gören ancak astronomiye ilgi duyan Tyson, büyük cam plakalarda geleneksel yolla gökadaların görüntülerini çekiyordu. Yerçekimi merceklerine dair kanıtlar arıyordu – araya giren galaksilerin veya diğer nesnelerin yerçekiminin neden olduğu uzak galaksilerin ortaya çıkmasında çarpıklıklar.

“Yeterince galaksiyi hayal ettiyseniz, küçük bir çarpıtma arayabilirsiniz” diyor. “Ama her cam plaka yeni bir dedektör gibiydi. Her türlü kimyasal olayla doluydu. Onlara ‘Kodak gökadaları’ dediler.

Cam tabakları açığa çıkarmaya devam ederken, Tyson CCD’leri denemeye başladı. İlkleri “korkunç” diyor, ama sürekli olarak aynı “önemsiz”, yani sinyaldeki aynı gürültüyü ürettiler. Görüntüleri karşılaştırmak, gürültüyü ortadan kaldırmayı ve evrenin derin, önemsiz görüntülerini üretmeyi mümkün kıldı.

Sonuç olarak Tyson, neredeyse her gökbilimcinin yaptığı gibi, gökleri gözlemlemek için CCD’leri kullanan ilk insanlardan biri oldu. Bir devrimin öncüsü olan Tyson, Şili’deki 8.900 metrelik bir tepe olan Cerro Pachón’un üzerinde tamamlanmak üzere olan devasa anket teleskopunun önde gelen savunucusu oldu. Rubin Gözlemevi’nin ilk ışığının 2021’in sonunda tamamlanması ve tam bilim operasyonlarının bir yıl sonra başlaması bekleniyor.

Delaware Üniversitesi’nde astrofizikçi ve projenin bilimsel işbirliğinin lideri olan 23’ten yaklaşık 2.000 üye olan Federica Bianco, “Kozmolojiden güneş sistemi bilimine kadar LSST’nin sonucunda birçok şeyin değiştiğini göreceğiz” diyor. ülkeler. (Uzun alışkanlıklardan dolayı, birçok bilim adamı hala tüm projeyi LSST olarak adlandırıyor, ancak resmen bu sadece gökyüzü araştırması. Ocak ayında gözlemevi, karanlık madde astronomisinin öncüsü Vera Rubin onuruna seçildi. Charles Simonyi için adlandırılacak – yazılım kralı, uzay turisti ve eşi ile birlikte proje için fon kaynağı olacak. Simonyi’nin Microsoft meslektaşı Bill Gates de katkıda bulundu.)

10 yıllık anket boyunca 8.4 metrelik teleskop, güney gökyüzünün tamamını yüzlerce kez tarayacak ve böylece gökbilimcilerin hem yakın hem de uzaktaki değişiklikleri haritalamasına izin verecek. Bu, kendi güneş sistemimizdeki yıldızları geceden geceye değişen yıldızları patlatmaktan asteroitlere kadar geçici olayların bolluğunu getirmelidir. Carnegie Mellon Üniversitesi’nden fizikçi ve karanlık enerjiyi incelemek için LSST’yi kullanacak astronom grubunun lideri Rachel Mandelbaum, “Bunu evrenin 10 yıllık bir filmi olarak düşünebilirsiniz” diyor.

Teleskopun gözlemlediği her değişiklik, astronomlara diğer teleskoplarla keşifleri takip etme şansı veren bir alarmı (belki de gece başına 10 milyon bildirimi) tetikleyecektir. Ve LSST tarafından kaydedilen her nesne – hepsi milyarlarca – tüm dünyadaki gökbilimciler tarafından çalışmak üzere veritabanına kaydedilecektir.

Rubin Gözlemevi’nin ayna ve kamera combo diğer büyük astronomik teleskoplardan farklı şekilde çalışacaktır. Çoğu, saatlerce hatta birkaç gün boyunca çok küçük bir gökyüzü parçasına bakacak şekilde tasarlanmıştır. Bu uzun pozlamalar, aşırı soluk nesnelerden (genellikle çok uzakta anlamına gelir) ışığın kameralar, spektrograflar ve fotometreler tarafından kaydedilmesine izin verir. Görüş alanları küçük olsa da, gökbilimciler genellikle gökyüzünü bir soda samanıyla gökyüzüne bakmakla karşılaştırırlar.

LSST, karşılaştırıldığında, muazzam bir görüş alanına sahiptir – bölgedeki 40’tan fazla tam ayın veya Hubble’ın Geniş Alan Kamerası 3’ün gördüklerinden birkaç bin kat daha fazla. Ama uzun bir gökyüzü parçasında oyalanmayacak. Tek bir 30 saniyelik görüntü veya bir çift 15 saniyelik görüntü alacak ve bu nesneler 27. büyüklükteki gibi soluk nesnelerin derin görüntülerini sağlamak için “istiflenecek”. (Dim Pluto’nun büyüklüğü 14’tür.) Sonra sadece beş saniye içinde bir sonraki görüş alanına geçer. Ortalama olarak, anket her gece yaklaşık bin alanı ve üç geceden az bir süre Şili dağ tepesinden görünen tüm gökyüzünü kapsayacak. Ardından, süreci yeniden başlatacaktır.

“Konsept çok basit,” diyor Tucson’daki proje merkezinde bulunan bir X-ışını astronomu olan LSST Direktörü Steve Kahn. “Ama daha önce hiç yapılmamış nedenler var. Yeni bir optik tasarım, geniş bir sensör dizisi, fiziksel olarak büyük optikler ve büyük bir veritabanı yönetim sistemi gerektirir. Bu, çoğu daha önce hiç karşılaşılmayan birçok teknik zorluktur. Yani LSST bir gözlemevinden çok bir deney gibidir. ”

Deney 1980’lerde Tyson’ın karanlık maddeyi incelemek için daha büyük ve daha büyük CCD kameralar geliştirmesiyle şekillenmeye başladı – varlığını, sadece etrafındaki görünür maddeye uyguladığı çekimsel çekim ile ortaya koyan şimdiye kadar tespit edilmemiş bir madde. Galaksilerdeki yıldız hareketlerinin ölçümü ve galaksi kümelerinin birleşmesi, evrendeki normal maddeden yaklaşık altı kat daha fazla karanlık madde olduğunu göstermektedir.

Tyson, yerçekimi lenslerinin neden olduğu görüntüleri arayarak karanlık maddenin dağılımını haritalamaya çalışıyordu. 1990’larda, bir meslektaşıyla birlikte 16 milyon piksellik bir dizi olan Büyük İş Hacmi Kamerasını (BTC) oluşturdu. Diğer gökbilimcilerin kendi projeleri için BTC’yi kullanmalarına izin vermek için Şili’deki dört metrelik bir teleskopta zaman aldılar. İki gökbilimci ekibi bunu süpernovaları gözlemlemek için kullandığında, verileri karanlık enerjinin keşfine yol açtı, bu da evrenin yaşlandıkça daha hızlı genişlemesine neden olan gizemli bir güçtü.

“Daha iyi yapabileceğimizi düşündük [BTC], ”Diyor Tyson, bu yüzden 1992’de yapılan bir toplantıda, aslen Karanlık Madde Teleskopu olarak adlandırılan özel bir teleskop-kamera kombinasyonu önerdi. Fikir, 2010’da en çok istenen büyük yer temelli projesi olana kadar gökbilimciler arasında istikrarlı bir destek kazandı. Bunu Federal fon izledi ve LSST 2014’te tam bir “harekete geçti”.

Boyut olarak, bu 8.4 metrelik teleskop dünya çapında ilk beş arasında hüküm sürmeyecek, ancak bunu hızlandırıyor. CCD dizisi, LSST’nin kısa pozlama sürelerinde bile kameranın soluk nesneleri kaydetmesi için verilerini yeterince hızlı okumalıdır. Daha sonra üç tonluk montaj bir sonraki hedef alana hızla dönmelidir.

Aynaların dökülmesi projenin en önemli zorluklarından biri olmuştur. Arizona Üniversitesi ayna laboratuvarı direktörü ve LSST geliştirmede kilit rol oynayan Roger Angel, yeni bir tasarım önerdi. Çoğu büyük teleskopta bulunan ikisi yerine üç ayna kullanır ve ikisi aynı cam parçasını paylaşır (resme bakınız, s. 28). Kahn, “Bu daha önce hiç yapılmamıştı” diyor.

Teleskop, CCD kameraya uyacak şekilde tasarlanmıştır, tersi şekilde değil. LSST’nin kamera bilimcisi ve Santa Cruz California Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Steven Ritz, “LSST ile ilgili özel olan tek bir entegre gözlemevi – bir uçtan uca entegre sistem” diyor.

Fizik ve müzik dalında lisans eğitimi aldıktan sonra, Ritz doktora derecesini almaya devam etti. parçacık fiziğinde. Kariyerinin başlarında Avrupa CERN laboratuvarında ve olası karanlık madde partiküllerini tanımlamak gibi diğer problemlerde çalıştı. Daha sonra soruna astrofizik tarafından yaklaşmaya karar verdi ve sonunda uzay tabanlı bir gama ışını teleskobu olan Fermi için proje bilimcisi oldu.

Ritz, “Fermi ve LSST, bu tür bilimleri nasıl yaptıkları konusunda oyun değiştiricilerdir” diyor. “Bütün gökyüzünü defalarca kaplarlar. İkisi de geniş bir konu dizisi hakkındaki soruları yanıtlamak için bir veri kümesi sağlıyor. ”

LSST kamera, şimdiye kadar yapılmış en hassas olan üç cam mercekten oluşuyor. Ritz, üçüncü (üçüncül) teleskop aynasından gelen görüntüyü 189 16 megapiksel dedektör dizisine yönlendirecekler – “189 küçük kamera”. LSST’nin veri yönetimi direktörü William O’Mullane, ankette yaklaşık 20 terabayt veri üretilecek – büyük ticari veri işlemlerinin dışında nadiren görülen bir hacim. “Bir dereceye kadar bir Google veri merkezi gibi görünüyoruz” diyor.

O’Mullane daha önce galaksideki bölgemizdeki en doğru ve ayrıntılı üç boyutlu yıldız haritalarını yapan iki uzay teleskopu, Hipparcos ve Gaia için veri işleme gereksinimleri üzerinde çalıştı. 2017’de LSST’ye katıldı, “bir sonraki büyük şeyi inşa etmekten mutluluk duyuyor.”

Gözlemevinde hiçbir görüntü işleme yapılmayacaktır; veriler derhal ABD’ye gönderilecektir. Orada bilgisayarlar LSST görüntülerini her alanın önceki görünümleriyle karşılaştıracak ve ikisi arasında fark bulduklarında anında uyarılar gönderecek. Tüm süreç, gözlemlenen her alan için yaklaşık bir dakika sürer.

LSST tarafından gözlemlenen her nesne, zaman içinde 15 petabayta (15 milyon gigabayt) yükselecek bir veritabanında kataloglanacaktır. Yaklaşık 100 üye olan veri yönetimi ekibi, makine öğreniminin ve diğer araçların kullanıcıların verileri gözden geçirmesine yardımcı olacağını umuyor. “Hala yapacak işlerimiz var, ancak yapacak biraz zamanımız var” diyor O’Mullane.

Geçici olaylar listesi, birbirlerini tutan yıldızlar, gezegenlerin önünden geçtiğinde hafifçe loş olan yıldızlar ve kalpleri atan gibi nefes alan yıldızlar içerir. Özellikle, güneş sistemindeki kuyruklu yıldızlar ve asteroitler de içerir. Onları izlemek, Dünya ile potansiyel bir çarpışma rotasında olup olmadığını ortaya çıkarabilir. LSST’nin 140 metreden büyük bilinen nesnelerin envanterine önemli ölçüde katkıda bulunması beklenmektedir – Kongre tarafından “gezegen savunması” önlemlerini planlamak için belirlenen bir boyut eşiği.

Ayrıca gökbilimcilere büyük ilgi gören süpernovalar olarak bilinen patlayan yıldızlar. Birkaç gün veya hafta boyunca, böyle bir titanik patlama çok daha yakın yıldızları gölgede bırakarak evrenin her tarafından görülebilecek kadar parlak hale gelebilir. Bazı süpernovalar büyük bir yıldızın ölümünden kaynaklanırken, diğerleri – Tip 1a olarak sınıflandırılır – beyaz cüce olarak bilinen küçük, ölü bir yıldız çekirdeğinin yok edilmesinden kaynaklanır. Gökbilimciler hala her iki çeşide de güç veren süreçleri anlamaya çalışıyorlar.

Federica Bianco, “Bunlardan birini veya birkaçını gördüğünüzde, onları yenilik olarak anlıyorsunuz” diyor. “Geçmişte, belki de yüzyılda bir süpernova görürdünüz ve Kıyametin yakın olup olmadığını merak etmenizi sağlayacak inanılmaz bir şey olurdu. Bugün, oran gecelik yaklaşık 10’dur. Ancak LSST’nin her gece bin süpernova görmesi bekleniyor. ”

Gece gökyüzünün birkaç küçük anketine katılan Bianco, profesyonel bir boksör olarak birkaç maç yaptı (iki nakavtla 4-1 kaydı var). “Çok ilkel ama çok basit,” diyor boks. “Başarı ayrıntılarda, etrafınızdaki durum kaotik göründüğünde sakin kalma yeteneği.” Bazen kaotik LSST bilim işbirliğine öncülük etmenin yanı sıra, geçici fenomenlere adanmış alt grubu da yönetiyor.

Süpernovaların kataloglanması, karanlık enerjinin doğasını ve dağılımını öğrenmek için önemli bir araçtır. LSST milyarlarca ışıkyılı uzaklıkta galaksilerdeki Tip 1a süpernovalarını görecek, bu da gökbilimcilerin evrenin evriminde farklı zamanlarda göreceği anlamına geliyor. Bu yıldızların hepsi aynı karakteristik parlaklıkla patlar, böylece görünür parlaklıklarını ölçmek, mesafelerini belirlemenin kullanışlı bir yoludur. Ve mesafelerini bilmek, geçmişte farklı dönemlerde karanlık enerjinin çekilmesinden dolayı evrenin ne kadar hızlı genişlediğini ortaya çıkarır.

Kariyerini evreni en büyük ölçeklerde gözlemleyerek geçiren Rachel Mandelbaum, “Ölçümlerin hepsi zorlayıcı” diyor. “Ama evrenin genişlemesini ve karanlık maddenin dağılımını elde etmenin birden fazla yolu var.”

Başka bir teknik, bulutlardan ve karanlık maddenin filamanlarından geçen ışığın neden olduğu zayıf yerçekimi merceği olarak bilinen bir fenomeni kullanır. Ancak etki ince, bu yüzden görmek neredeyse imkansız. Gökbilimcilerin çok sayıda gökadaya bakması gerekiyor (LSST, 10 milyarı haritalandırmalı, “Dünya’da insanlardan daha fazla gökada”, diyor Kahn diyor) ve gerçekte olanları kızdırmak için istatistiksel teknikleri kullanmalı. Değişen mesafelerde yeterli gözlemlerle, karanlık madde de dahil olmak üzere, maddenin Dünya’yı ve uzak galaksileri araya alarak “kümelenmesini” haritalamayı umuyorlar.

Bu da Mandelbaum, “kozmik yapının zamanla nasıl büyüdüğüne” dair bir fikir vermektedir. Zayıf lensleme ve diğer teknikler, karanlık maddenin uzun liflerde toplandığını ve “kozmik bir ağ” oluşturduğunu göstermiştir. Hidrojen bulutları ve diğer elementler bu karanlık madde ağı tarafından içeri çekilir. Ağın iplikçikleri kesiştiği yerde, bulutlar gökadaları doğurmak için çöktü.

LSST, son dokuz milyar yıl boyunca kozmik yapının ölçümlerini sağlamalıdır; bu, önceki zayıf mercek araştırmaları tarafından yapılan ölçümlerden çok daha uzundur. Mandelbaum, tekniğin LSST’in süpernova gözlemlerini tamamlayacağını söylüyor. “Bu ikisini bir araya getirdiğinizde oldukça güçlü.”

Bunlar, gökbilimcilerin tüm bu yıllar süren planlamadan sonra yeni gözlemevlerinden bekledikleri şeylerden sadece birkaçı: potansiyel Dünya geçişi asteroitlerinden evren büyüklüğündeki yapıya. Ve bunlar astronomların bilmek aramak. “Bilinen şeyleri çıkardığınızda ve geride kalanlara baktığınızda,” diyor Kahn, “bir gecede yüz bin nesnemiz olabilir.” Bu büyük.