Bỉ Ngạn Hoa
Writer
Vào đầu những năm 1990, một nhóm các nhà khoa học có một giấc mơ: chế tạo một loại kính thiên văn mới có thể thúc đẩy nghiên cứu thiên văn học, vật lý thiên văn và công nghệ hình ảnh tiến xa hơn bao giờ hết. Nó sẽ là một thiết bị có thể nhìn thấy những vùng trời khổng lồ và giúp làm sáng tỏ bí ẩn của vật chất tối. 30 năm sau, giấc mơ đó đã thành hiện thực.
Vào năm 2003, LSST Corporation, một tổ chức phi lợi nhuận đã được thành lập để hỗ trợ triển khai dự án hiện thực hóa giấc mơ xây dựng kính thiên văn khổng lồ của nhóm nhà khoa học. Năm 2007, LSST đã nhận được sự hỗ trợ tài chính quan trọng từ Charles Simonyi và Bill Gates, tổng cộng 30 triệu USD để chế tạo mảng gương của kính thiên văn.
Chính tại thời điểm này, giấc mơ bắt đầu có cảm giác “thật” đối với những người liên quan.
Vào năm 2015, dự án xây dựng LSST đã chính thức động thổ ở Cerro Pachón, Chile, là nơi xây dựng kính viễn vọng khổng lồ mà chiếc máy ảnh số khổng lồ là một phần trong đó. Trong vài năm tới, các bộ phận riêng lẻ của toàn bộ hệ thống đài quan sát, bao gồm cả máy ảnh khổng lồ, sẽ được chế tạo ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới. Việc chế tạo máy ảnh bắt đầu một cách nghiêm túc ở California. Cấu trúc gắn kính viễn vọng bằng thép được lắp ráp ở Tây Ban Nha. Gương phụ được lắp ráp ở New York.
Vào năm 2018, giá đỡ kính thiên văn và cả hai chiếc gương đã được kết hợp với nhau ở Chile. Vào tháng 12 năm 2019, Quốc hội Mỹ đã xác nhận tên mới cho kính thiên văn: Đài quan sát Vera C. Rubin, được đặt theo tên của nhà thiên văn học tiên phong người Mỹ, người đã có những đóng góp đáng kể cho thiên văn học và vật lý thiên văn.
Nhóm nghiên cứu của đài quan sát cho biết: “Đài quan sát Rubin là cơ sở thiên văn học lớn, được tài trợ công khai đầu tiên ở Mỹ được đặt theo tên của một người phụ nữ”.
Trong khi đài quan sát có tên mới, từ viết tắt LSST vẫn được giữ nguyên và dự án sẽ tiếp tục với tên gọi Khảo sát không gian và thời gian kế thừa (Legacy Survey of Space and Time).
Máy ảnh LSST 3.200 megapixel
Mặc dù các bộ phận chính của kính thiên văn đã được lắp ráp lại với nhau vào đầu năm 2018, nhưng phải mất gần sáu năm sau thì khía cạnh được cho là quan trọng nhất của hệ thống – máy ảnh LSST 3.200 megapixel – mới được hoàn thành. Điều đó cuối cùng đã xảy ra vào ngày 3 tháng 4 năm 2024.
LSST là chiếc máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất từng được chế tạo đến thời điểm này. Trước khi được lắp đặt vào đài quan sát rất lớn, chiếc máy ảnh này nặng tới 3.000 kg. Con số này tương đương với 1.500 ống kính Nikon 58mm f/0.95 Noct.
Kích cỡ của máy cực kỳ lớn vì độ phân giải lớn mà máy ảnh có thể chụp được cũng rất khổng lồ. Máy ảnh này được tạo thành từ 21 bè, mỗi bè chứa chín cảm biến CCD. Mỗi một cảm biến CCD trong máy ảnh này có thể chụp được vùng bầu trời chứa hàng chục nghìn thiên hà và ngôi sao cùng một lúc.
Những cảm biến trong máy ảnh này chỉ có độ phân giải khoảng 16 megapixel, nhưng các pixel lớn hơn nhiều so với các pixel trên máy ảnh thông thường. Các con chip CCD trên cảm biến được thiết kế nhạy đến mức không thể ghi được ánh sáng xung quanh vì nó quá bão hòa. Trong khi xây dựng LSST, một số lượng lớn cảm biến đã bị loại bỏ vì chúng không đáp ứng được các thông số kỹ thuật cần thiết. Ví dụ, cảm biến phải có độ phẳng hoàn hảo trong khoảng 4 micron mới đáp ứng yêu cầu. Để tham khảo, tóc của con người dày trung bình 70 micron.
“Một trong những thách thức kỹ thuật chính khi lắp ráp chiếc máy ảnh này là việc lắp đặt các cụm cảm biến. Tôi đã tạo ra rất nhiều bản mẫu nhưng không cảm thấy hài lòng với bất kỳ bản mẫu nào trong số đó. Vì vậy, cuối cùng chúng tôi đã có một buổi thảo luận và điều đó dẫn đến một ý tưởng mà tôi chưa từng nghĩ tới,” Travis Lange, phó giám đốc dự án LSST Camera và giám đốc tích hợp camera cho biết.
“Phần còn lại của quá trình liên quan đến việc tạo ra thiết kế chi tiết với nhiều phân tích dung sai để đảm bảo cơ chế sử dụng để lắp đặt cảm biến có độ chính xác cần thiết.”
Độ phẳng đó đạt được bằng cách sử dụng một loạt các giá đỡ bằng gốm gia cố bằng carbon cùng với ba quả bóng có đường kính khác nhau để hiệu chỉnh, kết hợp với tùy chọn tự đệm các cảm biến. Đáng chú ý, công việc gia công chính xác đến mức việc đạt được độ phẳng gần như hoàn hảo dễ dàng hơn dự đoán.
Các dãy cảm biến của máy ảnh LSST
Mỗi cảm biến chụp một vùng có kích thước 4.000 x 4.000 pixel, với mỗi pixel trong đó có kích thước 10 micron. Đường kính của vùng cảm biến là 640 mm trên mảng hình tròn. Nhìn chung, LSST có khả năng chụp ảnh 3.200 megapixel.
Các cảm biến của máy ảnh LSST hoạt động ở nhiệt độ -100 độ C (nhờ một bộ làm lạnh lớn có thể vừa làm nóng vừa làm mát để duy trì trạng thái cân bằng) và để tránh ngưng tụ, chúng hoạt động trong môi trường chân không hoàn toàn. Bản thân việc duy trì môi trường chân không đó đã là một thách thức và năm ngoái, một vụ rò rỉ đã được phát hiện khiến nhóm phải mất nhiều tháng để giải quyết.
Máy ảnh Hasselblad (trái) và một cảm biến của máy ảnh LSST (phải)
Tất nhiên, cảm biến chỉ là một nửa của phương trình. Ống kính của máy ảnh này cũng không kém phần ấn tượng, có trường nhìn rộng hơn khoảng 7,5 lần so với trường nhìn mặt trăng tròn trên bầu trời đêm. Khẩu độ của ống kính tương đương f/1.23 và đường kính 1,55 mét biến nó trở thành ống kính lớn nhất thế giới hiện nay.
Giữa dãy ống kính và cảm biến là một màn trập cơ học lớn có thể kích hoạt nhanh tới 0,9 giây khi cảm biến được lộ hoàn toàn.
Độ phân giải của máy ảnh LSST thật phi thường. Nếu được chụp theo cách của một chiếc máy ảnh truyền thống, LSST có thể phân giải một quả bóng golf cách xa 15 dặm đồng thời bao phủ một vùng trời rộng hơn bảy lần so với bề mặt trăng tròn.
LSST được lắp vào đài thiên văn
Trong quá trình khảo sát kéo dài 10 năm, LSST sẽ dành thời gian chụp từng phần của bầu trời phía nam hơn 800 lần, điều này cho phép các nhà khoa học và nhà thiên văn học tạo ra một bộ phim hoàn toàn sống động về vũ trụ. Về cơ bản, LSST sẽ ghi lại khoảng thời gian 10 năm và tất cả dữ liệu đó sẽ được cung cấp cho cộng đồng khoa học để nâng cao kiến thức về vũ trụ.
Vào năm 2003, LSST Corporation, một tổ chức phi lợi nhuận đã được thành lập để hỗ trợ triển khai dự án hiện thực hóa giấc mơ xây dựng kính thiên văn khổng lồ của nhóm nhà khoa học. Năm 2007, LSST đã nhận được sự hỗ trợ tài chính quan trọng từ Charles Simonyi và Bill Gates, tổng cộng 30 triệu USD để chế tạo mảng gương của kính thiên văn.
Chính tại thời điểm này, giấc mơ bắt đầu có cảm giác “thật” đối với những người liên quan.
Hành trình dài một thập kỷ
Vào năm 2010, dự án đã nhận được tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và Bộ Năng lượng (DOE) Mỹ. Từ đó, việc xây dựng kính thiên văn đã bắt đầu với tên gọi Kính viễn vọng Khảo sát Khái quát Lớn (LSST).Vào năm 2015, dự án xây dựng LSST đã chính thức động thổ ở Cerro Pachón, Chile, là nơi xây dựng kính viễn vọng khổng lồ mà chiếc máy ảnh số khổng lồ là một phần trong đó. Trong vài năm tới, các bộ phận riêng lẻ của toàn bộ hệ thống đài quan sát, bao gồm cả máy ảnh khổng lồ, sẽ được chế tạo ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới. Việc chế tạo máy ảnh bắt đầu một cách nghiêm túc ở California. Cấu trúc gắn kính viễn vọng bằng thép được lắp ráp ở Tây Ban Nha. Gương phụ được lắp ráp ở New York.
Vào năm 2018, giá đỡ kính thiên văn và cả hai chiếc gương đã được kết hợp với nhau ở Chile. Vào tháng 12 năm 2019, Quốc hội Mỹ đã xác nhận tên mới cho kính thiên văn: Đài quan sát Vera C. Rubin, được đặt theo tên của nhà thiên văn học tiên phong người Mỹ, người đã có những đóng góp đáng kể cho thiên văn học và vật lý thiên văn.
Nhóm nghiên cứu của đài quan sát cho biết: “Đài quan sát Rubin là cơ sở thiên văn học lớn, được tài trợ công khai đầu tiên ở Mỹ được đặt theo tên của một người phụ nữ”.
Trong khi đài quan sát có tên mới, từ viết tắt LSST vẫn được giữ nguyên và dự án sẽ tiếp tục với tên gọi Khảo sát không gian và thời gian kế thừa (Legacy Survey of Space and Time).
Mặc dù các bộ phận chính của kính thiên văn đã được lắp ráp lại với nhau vào đầu năm 2018, nhưng phải mất gần sáu năm sau thì khía cạnh được cho là quan trọng nhất của hệ thống – máy ảnh LSST 3.200 megapixel – mới được hoàn thành. Điều đó cuối cùng đã xảy ra vào ngày 3 tháng 4 năm 2024.
LSST là chiếc máy ảnh kỹ thuật số lớn nhất từng được chế tạo đến thời điểm này. Trước khi được lắp đặt vào đài quan sát rất lớn, chiếc máy ảnh này nặng tới 3.000 kg. Con số này tương đương với 1.500 ống kính Nikon 58mm f/0.95 Noct.
Kích cỡ của máy cực kỳ lớn vì độ phân giải lớn mà máy ảnh có thể chụp được cũng rất khổng lồ. Máy ảnh này được tạo thành từ 21 bè, mỗi bè chứa chín cảm biến CCD. Mỗi một cảm biến CCD trong máy ảnh này có thể chụp được vùng bầu trời chứa hàng chục nghìn thiên hà và ngôi sao cùng một lúc.
“Một trong những thách thức kỹ thuật chính khi lắp ráp chiếc máy ảnh này là việc lắp đặt các cụm cảm biến. Tôi đã tạo ra rất nhiều bản mẫu nhưng không cảm thấy hài lòng với bất kỳ bản mẫu nào trong số đó. Vì vậy, cuối cùng chúng tôi đã có một buổi thảo luận và điều đó dẫn đến một ý tưởng mà tôi chưa từng nghĩ tới,” Travis Lange, phó giám đốc dự án LSST Camera và giám đốc tích hợp camera cho biết.
“Phần còn lại của quá trình liên quan đến việc tạo ra thiết kế chi tiết với nhiều phân tích dung sai để đảm bảo cơ chế sử dụng để lắp đặt cảm biến có độ chính xác cần thiết.”
Độ phẳng đó đạt được bằng cách sử dụng một loạt các giá đỡ bằng gốm gia cố bằng carbon cùng với ba quả bóng có đường kính khác nhau để hiệu chỉnh, kết hợp với tùy chọn tự đệm các cảm biến. Đáng chú ý, công việc gia công chính xác đến mức việc đạt được độ phẳng gần như hoàn hảo dễ dàng hơn dự đoán.
Mỗi cảm biến chụp một vùng có kích thước 4.000 x 4.000 pixel, với mỗi pixel trong đó có kích thước 10 micron. Đường kính của vùng cảm biến là 640 mm trên mảng hình tròn. Nhìn chung, LSST có khả năng chụp ảnh 3.200 megapixel.
Các cảm biến của máy ảnh LSST hoạt động ở nhiệt độ -100 độ C (nhờ một bộ làm lạnh lớn có thể vừa làm nóng vừa làm mát để duy trì trạng thái cân bằng) và để tránh ngưng tụ, chúng hoạt động trong môi trường chân không hoàn toàn. Bản thân việc duy trì môi trường chân không đó đã là một thách thức và năm ngoái, một vụ rò rỉ đã được phát hiện khiến nhóm phải mất nhiều tháng để giải quyết.
Tất nhiên, cảm biến chỉ là một nửa của phương trình. Ống kính của máy ảnh này cũng không kém phần ấn tượng, có trường nhìn rộng hơn khoảng 7,5 lần so với trường nhìn mặt trăng tròn trên bầu trời đêm. Khẩu độ của ống kính tương đương f/1.23 và đường kính 1,55 mét biến nó trở thành ống kính lớn nhất thế giới hiện nay.
Giữa dãy ống kính và cảm biến là một màn trập cơ học lớn có thể kích hoạt nhanh tới 0,9 giây khi cảm biến được lộ hoàn toàn.
Độ phân giải của máy ảnh LSST thật phi thường. Nếu được chụp theo cách của một chiếc máy ảnh truyền thống, LSST có thể phân giải một quả bóng golf cách xa 15 dặm đồng thời bao phủ một vùng trời rộng hơn bảy lần so với bề mặt trăng tròn.
Sứ mệnh của LSST
LSST sẽ được sử dụng để khám phá bầu trời trên diện rộng, nghiên cứu các thiên thể và mối quan hệ của chúng với nhau cũng như cách chúng phân bố. Nó cũng sẽ cố gắng giải đáp những bí ẩn về vật chất tối và cách nó phân bố khắp vũ trụ. Mong đợi việc phát hiện các tiểu hành tinh, vị trí và chuyển động của chúng theo thời gian.
Trong quá trình khảo sát kéo dài 10 năm, LSST sẽ dành thời gian chụp từng phần của bầu trời phía nam hơn 800 lần, điều này cho phép các nhà khoa học và nhà thiên văn học tạo ra một bộ phim hoàn toàn sống động về vũ trụ. Về cơ bản, LSST sẽ ghi lại khoảng thời gian 10 năm và tất cả dữ liệu đó sẽ được cung cấp cho cộng đồng khoa học để nâng cao kiến thức về vũ trụ.
