Bilder helfen uns, die Welt um uns herum zu verstehen. Von Höhlenmalereien, Kritzeleien und Diagrammen bis hin zu Karten, Skizzen und Fotografien – mit der Verbesserung unserer Werkzeuge zur Darstellung der Welt hat sich auch unser Verständnis von ihr verbessert. Und das Gerät, das Sie in diesem Artikel sehen, ist möglicherweise das bisher fortschrittlichste Bildbearbeitungstool.
Es ist die Brennebene der Kamera der Legacy Survey of Space and Time (LSST) und das größte und fortschrittlichste Teil der Fotoausrüstung auf – oder außerhalb – des Planeten. Es wird am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien für eine der ehrgeizigsten astronomischen Untersuchungen entwickelt, die jemals durchgeführt wurden.
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„Es wird eine 10-Jahres-Umfrage sein“, sagt Prof. Aaron Roodman, der für die Montage der Kamera verantwortliche Wissenschaftler. „Wir werden Bilder von jedem Teil des Himmels der südlichen Hemisphäre machen, der von einem Berggipfel in Chile aus sichtbar ist. Und wir tun das, um eine ganze Reihe von Wissenschaftsprojekten zu ermöglichen.“
Die LSST-Kamera wird jedoch nicht nur eine Handvoll Bilder aufnehmen. Jede Nacht werden etwa 1.000 benötigt. Und die Bilder werden groß sein. Die Brennebene der LSST-Kamera ist 64 x 64 cm groß, wodurch jedes Bild ein Sichtfeld von 9,6 Quadratgrad hat – genug, um 40 Vollmonde aufzunehmen.
Jeder der Bildsensoren in der LSST-Kamera ist 40 x 40 mm groß und 189 von ihnen wurden zusammengelegt, um die Fokusebene zu erzeugen. Zum Vergleich:Eine typische DSLR-Kamera verwendet einen einzigen 36 x 24 mm großen Bildsensor.
Aber die Größe und Anzahl der Bilder sind nicht die einzigen erstaunlichen Dinge, die die LSST-Kamera bieten wird. Auch die Details in den Bildern werden beispiellos sein, da die Fokusebene 3,2 Milliarden Pixel enthält.
Wenn es schließlich im Simonyi Survey Telescope (selbst ein ebenso außergewöhnliches Gerät, das um einen gigantischen Primärspiegel mit 8,4 m Durchmesser herum konstruiert ist) am Vera C Rubin Observatorium in Chile installiert wird, wird es in der Lage sein, Licht von Objekten zu erkennen, die zu schwach und zu weit entfernt sind sonst gesehen werden.
Mehr Details als je zuvor
Während ihrer jahrzehntelangen Vermessung wird die LSST-Kamera mehr vom Himmel detaillierter als je zuvor abbilden.
„Wir werden 20 Milliarden Galaxien sehen“, sagt Roodman. „Wir werden auch in der Lage sein, unsere Galaxie, die Milchstraße, in unglaublichen Details zu studieren. Wir werden Milliarden von Sternen beobachten und Informationen darüber erhalten, wie weit sie entfernt sind und ob sie sich bewegen. Wir werden auch das Sonnensystem untersuchen … Wir erwarten, Millionen von Objekten zu sehen. Wenn Planet Neun existiert, haben wir gute Chancen, ihn zu sehen.“
Alle Spots der LSST-Kamera werden untersucht und verwendet, um einen neuen Katalog astronomischer Objekte zu erstellen, der der bisher umfassendste sein wird. Aber wie Roodman erklärt, besteht das Ziel nicht nur darin, ein größeres und gründlicheres Bild der Objekte im Universum zu erstellen, sondern uns auch zu zeigen, wie sich diese Objekte im Laufe der Zeit verändern.
„Die Tatsache, dass wir so schnell und wiederholt Bilder vom Himmel machen, bedeutet, dass wir zeitvariable Phänomene auf völlig neue Weise untersuchen können. Das hat noch niemand wirklich gemacht. [Frühere] Vermessungen haben typischerweise nur ein paar Mal in den Himmel geschaut. Ein Projekt [das es 1.000 Mal pro Nacht fotografiert] ist also wirklich bahnbrechend“, erklärt Roodman.
Indem sie es uns ermöglicht, die Art und Weise zu überwachen, in der sich Objekte verändern, sollte uns die LSST-Kamera ein neues Fenster zur grundlegenden Natur des Universums eröffnen. Insbesondere die 95 Prozent davon, die wir nicht sehen können, bestehen aus mysteriösen Einheiten, die als dunkle Materie und dunkle Energie bekannt sind.
Dunkle Materie absorbiert oder reflektiert Licht nicht, aber es gibt so viel davon, dass sie Schwerkraft hat. Und diese Schwerkraft reicht aus, um das Licht von umgebenden Objekten zu verzerren, ihr Aussehen zu verändern oder es so aussehen zu lassen, als befänden sie sich an einem anderen Ort. Die LSST-Kamera erkennt diese Verzerrungen und verwendet sie, um die Verteilung der Dunklen Materie abzubilden.
Dunkle Energie ist ein weiteres Mysterium und hat größere Auswirkungen, da sie fast 70 Prozent des Universums ausmacht. Wir wissen sehr wenig über dunkle Energie, außer dass sie die Expansion des Universums beschleunigt, im Gegensatz zu unserem Verständnis davon.
Die LSST-Kamera wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Lücken zwischen Galaxien genau zu messen und zu beurteilen, wie diese Lücken gewachsen sind, was hoffentlich neues Licht auf die dunkle Energie wirft, die sie weiterhin wachsen lässt.
Konkurrenz mit Starlink
Der Bau eines Geräts mit solchen Fähigkeiten ist keine leichte Aufgabe. Abgesehen vom Teleskop, an dem sie befestigt wird, enthält allein die LSST-Kamera über 5.000 Teile, von denen viele maßgefertigt, unerträglich teuer und auf unbequem engem Raum untergebracht sind. Daher war die Konstruktion der Fokusebene natürlich nervenaufreibend und wurde mit äußerster Vorsicht durchgeführt.
Die Fokalebene wurde im Januar 2020 fertiggestellt und wird seitdem getestet und verfeinert. Die COVID-Pandemie hat den Fortschritt für ein paar Monate gestoppt, aber es ist jetzt wieder im Gange und es wird gehofft, dass die fertige LSST-Kamera 2021 bereit sein wird, nach Chile versandt zu werden, bevor die Umfrage 2022 beginnt.
Aber COVID ist nicht das einzige Problem, mit dem das Projekt konfrontiert ist. Das Team sagt, dass die wachsende Konstellation von Starlink-Satelliten, die zu Elon Musks SpaceX-Unternehmen gehören, sein Potenzial für bahnbrechende Beobachtungen bedroht.
Die Satelliten sollen weltweit Hochgeschwindigkeits-Internetzugang ermöglichen. Dazu müssen sie in erdnahen Umlaufbahnen fliegen und stark reflektierend sein, sodass jeder Satellit das Potenzial hat, einen breiten und hellen Streifen über die Bilder der LSST-Kamera zu ziehen.
Angesichts dessen, wie weit die Kamera in die Tiefen des Weltraums blickt, verbergen Hindernisse im Vordergrund viele Details in der Ferne. Ein einzelner Satellit könnte eine Reihe entfernter Objekte verdecken, und die Starlink-Konstellation wird Tausende von Satelliten enthalten, ganz zu schweigen von den Tausenden weiteren, die von anderen Satelliten-Internetunternehmen gestartet werden sollen.
Es ist ein großes Anliegen für Roodman und alle am Projekt Beteiligten. „Im besten Fall wird es ein ernsthaftes Ärgernis sein und im schlimmsten Fall wird es unsere Beobachtung wirklich beeinträchtigen“, sagt er.
„Wir haben mit SpaceX zusammengearbeitet, um ihnen mitzuteilen, was wir brauchen, und sie haben einige Dinge getan, um die Satelliten zu verdunkeln. Ich glaube, ein oder zwei der dunkleren Satelliten sind jetzt oben, aber die Helligkeit ist nicht so stark gesunken, wie wir es gerne hätten.“
Während Starlink und ähnliche Satelliten das gesamte Projekt nicht gefährden, schränken sie in ihrer jetzigen Form sein ehrgeiziges Potenzial ein. Trotzdem wird das Bild des Universums, das uns die LSST-Kamera liefert, immer noch größer sein als alles zuvor. Vielleicht nicht so groß, wie es hätte sein können, aber groß genug, um möglicherweise unser Verständnis des Kosmos zu verändern.
- Dieses Interview erschien zuerst in Ausgabe 357 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können