Dentro do Observatório Vera C. Rubin, lar da maior câmera digital do mundo

No próximo ano, o mundo da astronomia deve crescer ainda mais com as primeiras operações do Observatório Vera C. Rubin. Este gigantesco observatório está atualmente em construção no pico do Cerro Pachón, uma montanha de quase 9.000 pés de altura no Chile.

O observatório abrigará um telescópio de 8,4 metros que capturará a luz de galáxias distantes e a canalizará para a maior câmera digital do mundo, produzindo imagens incrivelmente profundas de todo o céu do sul.

Se você já se perguntou como os engenheiros ampliam a tecnologia da câmera digital de algo pequeno o suficiente para caber dentro do seu telefone para algo grande o suficiente para capturar galáxias inteiras, conversamos com o cientista do Observatório Rubin, Kevin Reil, para saber mais sobre essa peça única do kit e como poderia ajudar a desvendar alguns dos maiores mistérios da astronomia.

A maior câmera digital do mundo

Em um nível básico, a câmera Rubin funciona da mesma forma que uma câmera digital comercial como a do seu telefone celular – embora sua tecnologia seja realmente mais próxima da das câmeras de telefones celulares de cinco anos atrás, pois usa uma tecnologia de sensor chamada CCD em vez de CMOS, porque a construção da câmera do observatório começou há 10 anos. A maior diferença está em termos de escala: a câmera do seu telefone pode ter uma resolução de 10 megapixels , mas a câmera Rubin tem incríveis 3.200 megapixels.

Para dar uma ideia mais tangível de como seriam os 3.200 megapixels, seriam necessárias 378 telas de TV 4K para exibir uma imagem em tamanho real, de acordo com o SLAC National Accelerator Laboratory, que está construindo a câmera. Esse tipo de resolução permitiria que você visse uma bola de golfe a 15 milhas de distância.

Para alcançar esse tipo de resolução, cada elemento do hardware da câmera precisa ser projetado e fabricado com extrema precisão. Um componente da câmera que requer uma fabricação particularmente cuidadosa são as lentes. Existem três lentes para ajudar a corrigir quaisquer aberrações nos sinais de entrada, e cada uma deve ter uma superfície perfeitamente livre de manchas.

Isso é ainda mais difícil de conseguir do que a precisão necessária para espelhos de telescópios, pois ambos os lados da lente precisam ser igualmente polidos. “O desafio é, agora, em vez de uma superfície para espelho, você tem duas superfícies que precisam ser perfeitas”, explicou Reil. “Toda a ótica deste observatório – as lentes e os espelhos – é o tipo de coisa que leva anos para ser criada.”

Conseguir as lentes perfeitas nem é a parte mais difícil do tipo de kit necessário para tal telescópio. "É uma tecnologia conhecida", disse Reil. “É difícil, mas existem empresas que sabem fazer essas lentes.”

Onde a câmera Rubin está entrando em um terreno muito mais raramente pisado é com seus sensores. Com uma resolução tremendamente alta de 3.200 megapixels, os 189 sensores da câmera precisam ser organizados em uma matriz e ajustados até atingirem as especificações exatas. Cada um desses sensores possui 16 canais, totalizando 3.024 canais.

“Para mim, pessoalmente, o maior desafio foram os sensores”, disse Reil. “Ter 16 canais de leitura e 189 sensores, e ler todos ao mesmo tempo. Portanto, a aquisição de dados e realmente fazer com que os sensores atendam aos requisitos.”

Esses requisitos para os sensores são para coisas como um nível muito baixo de ruído de leitura – essa é a textura granulada que você verá quando tirar uma foto no escuro usando seu telefone celular. Para minimizar esse ruído, que atrapalharia as observações astronômicas, os sensores são resfriados a 150 graus Fahrenheit negativos. Mas mesmo isso pode ajudar muito, então os sensores devem ser fabricados com muito cuidado para reduzir o ruído de leitura – algo que apenas um punhado de empresas no mundo pode fazer.

Outra questão é com o plano focal da câmera, que tem a ver com a forma como a câmera foca. Para manter esse plano totalmente plano, dentro de alguns mícrons, os sensores precisam ser montados em uma jangada feita de carboneto de silício e depois instalados na câmera.

Uma das principais diferenças entre a câmera em um telescópio e uma câmera digital típica é o uso de filtros. Em vez de capturar imagens em cores, as câmeras dos telescópios capturam imagens em preto e branco em diferentes comprimentos de onda. Essas imagens podem então ser combinadas de diferentes maneiras para escolher diferentes características astronômicas.

Para fazer isso, a câmera Rubin é equipada com seis filtros, cada um dos quais isola diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético – do ultravioleta, passando pelo espectro de luz visível e até o infravermelho. Esses filtros são pedaços grandes e redondos de vidro que precisam ser movidos fisicamente na frente da câmera, então um mecanismo é anexado à câmera para trocá-los e retirá-los conforme necessário. Uma roda gira em torno do corpo da câmera, trazendo o filtro necessário para o topo, então um braço pega o filtro e o desliza para o lugar entre as lentes.

Finalmente, há o obturador. Isso consiste em um sistema de duas lâminas que desliza pela face das lentes e depois volta para capturar uma imagem. "Isso é extremamente preciso", disse Reil. “A distância entre essas lâminas móveis e a lente número três é muito, muito próxima.” Isso requer uma engenharia cuidadosa para garantir que o espaçamento esteja exatamente correto.

Vendo a imagem mais ampla

Toda essa engenharia de precisão permitirá que Rubin seja uma ferramenta astronômica extremamente poderosa. Mas não é poderoso da mesma forma que ferramentas como o Telescópio Espacial Hubble ou o Telescópio Espacial James Webb, que são projetados para observar objetos muito distantes. Em vez disso, Rubin observará grandes pedaços do céu, examinando todo o céu muito rapidamente.

Ele pesquisará todo o céu do sul uma vez por semana, repetindo essa tarefa indefinidamente e coletando cerca de 14 terabytes de dados a cada noite. Com essas imagens atualizadas regularmente, os astrônomos podem comparar o que aconteceu em um determinado pedaço do céu na semana passada com o que está lá esta semana – e isso permite que eles capturem eventos de rápida evolução, como supernovas, para ver como eles mudam com o tempo.

Portanto, não é apenas coletar todos esses dados usando o hardware da câmera que é um desafio, mas também processá-los muito rapidamente para que possam ser disponibilizados aos astrônomos a tempo de ver novos eventos à medida que estão acontecendo.

E os dados também serão disponibilizados publicamente. Você poderá escolher qualquer objeto no céu do sul e obter imagens desse objeto, ou simplesmente navegar pelos dados da pesquisa que mostram o céu com detalhes impressionantes .

Uma pesquisa profunda e ampla do céu

Além de ser um recurso para os astrônomos que observam como um determinado objeto muda ao longo do tempo, o Observatório Rubin também será importante para identificar objetos próximos da Terra. Estes são asteróides ou cometas que se aproximam da Terra e podem potencialmente ameaçar nosso planeta, mas que podem ser difíceis de detectar porque se movem pelo céu muito rápido.

Com seu grande espelho e campo de visão, o Observatório Rubin será capaz de identificar objetos que se aproximam particularmente da Terra e são chamados de objetos potencialmente perigosos. E como esses dados são atualizados com frequência, eles devem ser capazes de sinalizar objetos que precisam de um estudo mais aprofundado para outros telescópios observarem.

Mas a maior contribuição do observatório pode ser o estudo da matéria escura e da energia escura. Na verdade, o observatório recebeu o nome da astrônoma americana Vera C. Rubin, que descobriu a primeira evidência de matéria escura por meio de suas observações de galáxias nas décadas de 1960 e 1970.

O Observatório Rubin será capaz de sondar a misteriosa substância da matéria escura observando o universo em uma escala muito grande.

“Para realmente ver a matéria escura – bem, você não pode”, explicou Reil. “Mas para realmente estudar a matéria escura, você precisa olhar para a escala da galáxia.”

Observando a velocidade com que as estrelas ao redor da borda de uma galáxia estão girando, você pode descobrir quanta massa deve haver entre essas estrelas e o centro galáctico. Quando fazemos isso, a massa que podemos ver não é suficiente para explicar essas rotações – “nem perto do suficiente”, disse Reil. Portanto, falta uma quantidade de massa que precisamos explicar. “Essa é a matéria escura”, acrescenta.

Um princípio semelhante se aplica a aglomerados inteiros de galáxias. Ao observar as órbitas das galáxias dentro desses aglomerados, que Rubin poderá observar com seu amplo campo de visão, as observações ganharão um novo nível de poder estatístico. E para estudar o fenômeno relacionado da energia escura, um tipo hipotético de energia que explica a taxa de expansão do universo, os astrônomos podem comparar a massa calculada de objetos grandes com a massa observada.

“Você pode ver todos os aglomerados de galáxias que existem e não pode obter mais estatísticas do que as obtidas de todo o céu”, disse Reil. “Há vantagens reais em ter todos os dados disponíveis sobre o assunto em vez de ter um pequeno campo de visão.”