Dentro del Observatorio Vera C. Rubin, hogar de la cámara digital más grande del mundo

El próximo año, el mundo de la astronomía crecerá aún más con las primeras operaciones del Observatorio Vera C. Rubin. Este gigantesco observatorio se encuentra actualmente en construcción en la cima del Cerro Pachón, una montaña de casi 9,000 pies de altura en Chile.

El observatorio albergará un telescopio de 8,4 metros que captará la luz de galaxias lejanas y la canalizará hacia la cámara digital más grande del mundo, produciendo imágenes increíblemente profundas de todo el cielo del sur.

Si alguna vez se ha preguntado cómo los ingenieros amplían la tecnología de las cámaras digitales desde algo lo suficientemente pequeño como para caber dentro de su teléfono a algo lo suficientemente grande como para capturar galaxias enteras, hablamos con el científico del Observatorio Rubin Kevin Reil para conocer este equipo único y cómo podría ayudar a desentrañar algunos de los mayores misterios de la astronomía.

La cámara digital más grande del mundo.

En un nivel básico, la cámara Rubin funciona de la misma manera que una cámara digital comercial como la de su teléfono celular, aunque su tecnología en realidad es más cercana a la de las cámaras de los teléfonos celulares de hace cinco años, ya que utiliza una tecnología de sensor llamada CCD. en lugar de CMOS, porque la construcción de la cámara del observatorio comenzó hace 10 años. La mayor diferencia está en términos de escala: la cámara de su teléfono puede tener una resolución de 10 megapíxeles , pero la cámara Rubin tiene 3,200 megapíxeles alucinantes.

Para darle una idea más tangible de cómo se verían 3200 megapíxeles, se necesitarían 378 pantallas de TV 4K para mostrar una imagen en tamaño completo, según el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, que está construyendo la cámara. Ese tipo de resolución le permitiría ver una pelota de golf desde 15 millas de distancia.

Para lograr este tipo de resolución, cada elemento del hardware de la cámara debe diseñarse y fabricarse con extrema precisión. Un componente de la cámara que requiere una fabricación especialmente cuidadosa son los objetivos. Hay tres lentes para ayudar a corregir cualquier aberración en las señales entrantes, y cada uno debe tener una superficie perfectamente libre de imperfecciones.

Eso es aún más difícil de lograr que la precisión requerida para los espejos de los telescopios, ya que ambos lados de la lente deben pulirse por igual. “El desafío es que ahora, en lugar de una superficie para un espejo, tienes dos superficies que tienen que ser perfectas”, explicó Reil. “Toda la óptica de este observatorio, las lentes y los espejos, son el tipo de cosas que tardan años en crearse”.

Conseguir las lentes perfectas no es ni siquiera la parte más difícil del tipo de kit que se necesita para un telescopio de este tipo. “Es una tecnología conocida”, dijo Reil. “Es difícil, pero hay empresas que saben cómo fabricar estos lentes”.

Donde la cámara Rubin se está adentrando en un terreno mucho menos pisado es con sus sensores. Con una resolución tan tremendamente alta de 3200 megapíxeles, los 189 sensores de la cámara deben organizarse en una matriz y ajustarse hasta que alcancen las especificaciones exactas. Cada uno de estos sensores tiene 16 canales, por lo que son 3024 canales en total.

“Para mí personalmente, el mayor desafío han sido los sensores”, dijo Reil. “Tener 16 canales de lectura y 189 sensores, y leerlos todos al mismo tiempo. Entonces, la adquisición de datos y realmente hacer que los sensores cumplan con los requisitos”.

Esos requisitos para los sensores son para cosas como un nivel muy bajo de ruido de lectura: esa es la textura granulada que verá cuando tome una foto en la oscuridad con su teléfono celular. Para minimizar este ruido, que interrumpiría las observaciones astronómicas, los sensores se enfrían a menos 150 grados Fahrenheit. Pero incluso eso solo puede ayudar hasta cierto punto, por lo que los sensores deben fabricarse con mucho cuidado para reducir el ruido de lectura, algo que solo un puñado de empresas en el mundo puede hacer.

Otro problema es el plano focal de la cámara, que tiene que ver con cómo enfoca la cámara. Para mantener este plano totalmente plano, dentro de unas pocas micras, los sensores deben montarse en una balsa hecha de carburo de silicio y luego instalarse en la cámara.

Una forma clave en que la cámara de un telescopio difiere de una cámara digital típica es en el uso de filtros. En lugar de capturar imágenes en color, las cámaras de los telescopios en realidad toman imágenes en blanco y negro en diferentes longitudes de onda. Estas imágenes se pueden combinar de diferentes maneras para seleccionar diferentes características astronómicas.

Para hacer esto, la cámara Rubin está equipada con seis filtros, cada uno de los cuales aísla diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético, desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible y hasta el infrarrojo. Estos filtros son piezas de vidrio grandes y redondas que deben moverse físicamente frente a la cámara, por lo que se adjunta un mecanismo a la cámara para cambiarlos según sea necesario. Una rueda gira alrededor del cuerpo de la cámara, trayendo el filtro requerido a la parte superior, luego un brazo toma el filtro y lo desliza en su lugar entre las lentes.

Por último, está el obturador. Este consiste en un sistema de dos hojas que se desliza por la cara de las lentes y luego regresa para capturar una imagen. “Eso es extremadamente preciso”, dijo Reil. “La distancia entre esas cuchillas móviles y la lente número tres es muy, muy cercana”. Eso requiere una ingeniería cuidadosa para asegurarse de que el espacio sea exactamente correcto.

Ver la imagen más amplia

Toda esta ingeniería de precisión permitirá que Rubin sea una herramienta astronómica extremadamente poderosa. Pero no es tan poderoso como herramientas como el Telescopio Espacial Hubble o el Telescopio Espacial James Webb, que están diseñados para mirar objetos muy distantes. En su lugar, Rubin observará enormes porciones enteras de cielo, inspeccionando todo el cielo muy rápidamente.

Inspeccionará todo el cielo del sur una vez por semana, repitiendo esta tarea una y otra vez y recopilando alrededor de 14 terabytes de datos cada noche. Al tener imágenes actualizadas regularmente, los astrónomos pueden comparar lo que sucedió en un área determinada del cielo la semana pasada con lo que está allí esta semana, y eso les permite captar eventos de evolución rápida como las supernovas, para ver cómo cambian con el tiempo.

Por lo tanto, no es solo recopilar todos esos datos usando el hardware de la cámara lo que es un desafío, sino también procesarlos muy rápido para que puedan estar disponibles para los astrónomos a tiempo para que puedan ver nuevos eventos a medida que ocurren.

Y los datos también se pondrán a disposición del público. Podrá elegir cualquier objeto en el cielo del sur y obtener imágenes de ese objeto, o simplemente navegar a través de datos de encuestas que muestran el cielo con un detalle sorprendente .

Un estudio del cielo grande y profundo

Además de ser un recurso para los astrónomos que observan cómo cambia un objeto en particular con el tiempo, el Observatorio Rubin también será importante para identificar objetos cercanos a la Tierra. Estos son asteroides o cometas que se acercan a la Tierra y podrían amenazar potencialmente a nuestro planeta, pero que pueden ser difíciles de detectar porque se mueven muy rápido por el cielo.

Con su gran espejo y campo de visión, el Observatorio Rubin podrá identificar objetos que se acerquen particularmente a la Tierra y que se denominan objetos potencialmente peligrosos. Y debido a que estos datos se actualizan con frecuencia, debería poder marcar objetos que necesitan más estudio para que otros telescopios los observen.

Pero la mayor contribución del observatorio puede ser el estudio de la materia oscura y la energía oscura. De hecho, el observatorio lleva el nombre de la astrónoma estadounidense Vera C. Rubin, quien descubrió la primera evidencia de materia oscura a través de sus observaciones de galaxias en las décadas de 1960 y 1970.

El Observatorio Rubin podrá sondear la misteriosa sustancia de la materia oscura observando el universo a gran escala.

“Para ver realmente la materia oscura, bueno, no se puede”, explicó Reil. “Pero para estudiar realmente la materia oscura, debes mirar la escala de la galaxia”.

Al observar qué tan rápido giran las estrellas alrededor del borde de una galaxia, puedes calcular cuánta masa debe haber entre esas estrellas y el centro galáctico. Cuando hacemos esto, la masa que podemos ver no es suficiente para explicar esas rotaciones, "ni siquiera lo suficiente", dijo Reil. Así que falta una cantidad de masa que debemos explicar. “Esa es la materia oscura”, añade.

Un principio similar se aplica a cúmulos enteros de galaxias. Al observar las órbitas de las galaxias dentro de esos cúmulos, que Rubin podrá observar con su amplio campo de visión, las observaciones obtendrán un nuevo nivel de poder estadístico. Y para estudiar el fenómeno relacionado de la energía oscura, un tipo hipotético de energía que explica la tasa de expansión del universo, los astrónomos pueden comparar la masa calculada de objetos grandes con su masa observada.

“Puedes ver cada cúmulo de galaxias que hay, y no puedes obtener más estadísticas que las que obtienes de todo el cielo”, dijo Reil. “Hay ventajas reales de tener todos los datos disponibles sobre el tema en comparación con tener un campo de visión pequeño”.