巨型天文“数码相机”开辟宇宙探索新篇章
Johan Bregeon
法国国家核物理与粒子物理研究所亚原子物理和宇宙学实验室（格勒诺布尔）观测宇宙学研究员
美国SLAC国家加速器实验室开发的LSST相机是一项引领天文学领域的重大成就。通过LSST相机，科学家将能够以前所未有的精度观测宇宙，从而更深入地了解宇宙的结构和演化，特别是暗能量和暗物质等神秘现象。LSST相机的建设与合作涉及多个国际研究机构，展现了全球科学界在追求知识和探索宇宙奥秘方面的协同努力。LSST相机的建设对天文学领域有哪些重大意义？它将如何推动天文学的发展？LSST相机的技术特点是什么？它是如何实现高速、高精度的观测的？
经过20年的研发，美国SLAC国家加速器实验室研发的LSST（时空遗产调查）相机终于完成建设。
SLAC联手多所研究机构开发的LSST融合了多项先进技术，将以前所未有的精细度观察宇宙。
这台3200万像素的相机可用于研究暗物质和暗能量，加深人类对宇宙的认识。
LSST的6个滤镜、创新的滤镜更换器、快速读出电子设备、CCD探测器等部件共同造就了其超高性能。
优化读出设备，能使LSST能够高效地处理数据，为未来天文学的重大突破铺平了道路。
部分技术仍处于调试阶段，但LSST的首批太空图像预计将于2025年春季问世。
经过20余年的努力，美国SLAC国家加速器实验室研发的LSST（时空遗产调查）相机已完成建设，即将安装在智利安第斯山脉塞罗帕雄山海拔2700米的天文望远镜上。塞罗帕雄山是全球最佳天文观测地点之一，欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）[1]和ALMA[2]等众多大型设备皆坐落在该地。
3200万像素的LSST相机仅用三天就能扫描整个天空，每晚拍摄800张图像，每张图像覆盖的面积是月球的40倍，以前所未有的精细度观察宇宙。LSST还将加深人类对暗能量的理解。在暗能量的作用下，宇宙加速膨胀。LSST可以检测出“弱引力透镜效应”——遥远的背景星系发出的光被前景星系轻微扭曲之后，产生的一种像的形变效应。研究弱引力透镜效应，能判断出宇宙质量分布随时间变化的趋势，从而得知宇宙膨胀的情况。
科学家认为，暗物质占宇宙物质总量的85%。LSST能观察星系的分布及其随时间的演变，寻找神秘的暗物质。
LSST相机是SLAC与多家国际研究机构的合作成果。隶属于美国能源部的布鲁克海文国家实验室负责制造相机的数码传感器阵列。同时，隶属于美国能源部的国家核安全局的劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责制造镜头。法国国家核物理与粒子物理研究所（IN2P3/CNRS）参与了传感器和电子原件的设计，还制造了滤镜更换系统，让LSST能拍摄从紫外线到红外线六个光波段的图像。
IN2P3/CNRS亚原子物理和宇宙学实验室（LPSC）[3] 研究员Johan Bregeon 2019年起参与LSST相机的研制。他介绍：“LSST大约有一辆汽车大小。” 相机重约3000公斤，有三个镜头，前置镜头的直径约为160厘米，是有史以来最大的高性能光学镜头。
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颠覆天文学的巨型相机
Bregeon 说：“LSST不仅是拍摄太空美图的‘大相机’。它能将捕捉的光线以最高的忠实度还原，在天文界具有颠覆性意义。”
图片来源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC国家加速器实验室 - LSST相机的前视图，显示了其内部3200万像素的焦平面。
LSST三镜头系统可用于视野校正，这样不必扩大设备尺寸也能观察到更大范围的天空。镜头的焦平面处装有CCD探测器，负责捕捉收集光线。LSST的另一个重要部件是滤镜更换器。Bregeon 说：“在天文学特别是宇宙学研究中，须要以多个光学波段观察天空，最长的波段接近近红外。使用滤镜，就能只让特定波段的光线通过镜片。”
02
精密的滤镜更换系统
IN2P3/CNRS设计的滤镜更换系统由一个转盘、六个滤镜和一个复杂的机械系统组成，可以在两分钟内完成一次滤镜切换。“滤镜是直径为75厘米的圆形镜片。最轻的25公斤，最重的38公斤，所在的位置偏差不能超过几百微米。LSST使用期间须要频繁切换滤镜，每晚若干次。在LSST的长达十年的服役周期中，要完成10万次切换。考虑到机械的老化，设计方案的实施难度很高。”
图片来源：Chris Smith/SLAC国家加速器实验室- LSST照相机主要部件示意图。
滤镜更换系统必须跟滤镜装载系统配合运行。“装载系统负责从匣子中取出一个滤镜，待原先的滤镜取下后，插入滤镜室的转盘中。装载器由我所在的LPSC团队设计、测试、制造和验证。”
03
法国科学家大幅提升CCD探测器数据读出速度
LSST的技术挑战不仅在于其举世无双的体积，还在于必须能快速读取CCD探测器的数据。目前类似的天文相机读取几亿像素大约需要30秒。“但我们希望LSST每晚进行1500次以上的曝光，30秒太长了。”LPSC研发团队对电子设备的读出效率进行了大幅优化提升，现在大约2秒内就能读取30亿像素。“我们还深度研究了CCD探测器的原理，以确保相机输出原始数据后，产生的图像尽可能忠实地反映天空的景象。”
目前有多所实验室正在研发原始图像校准还原技术，尽可能提高LSST的成像质量，但仍处于调试阶段。“我现在在分析去年相机在SLAC试运行时的数据，检查镜头与相机焦平面的对准情况。” LSST首批太空成像预计将于2025年春季问世。
作者
Isabelle Dumé
编辑
Meister Xia
Aaron J. Roodman at al. Integration and verification testing of the LSST camera. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2018, Jun 2018, Austin, United States. pp.107050D, 10.1117/12.2314017. https://hal.science/hal-01880806 Pierre Antilogus et al. Design, assembly and validation of the Filter Exchange System of LSSTCam. In SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2022, volume 12182, page 121823A, Montréal, Canada, July 2022. doi: 10.1117/12.2629336. https://hal.science/hal-03838583
1. https://www.eso.org/public/france/teles-instr/paranal-observatory/vlt/
2. https://www.eso.org/public/france/teles-instr/alma/
3. The LPSC is a joint CNRS/Université Grenoble Alpes laboratory
