近日，坐落在加州門洛帕克（Menlo Park）的美國能源部 SLAC 實驗室，成功拍攝了了人類首張 32 億像素的花椰菜照片，這也是有史以來單次拍攝像素最大的一張照片。

由于該圖像的像素太高，以至于需要 378 個 4K 超高清電視屏幕才能顯示完整的尺寸。并且由于其超高的分辨率，人們可以使用該技術在 15 英里外觀察一個高爾夫球。

此次首張 32 億像素照片的拍攝，是對一月份組裝完成的 LSST 相機的測試，其未來也將成為魯賓天文臺的核心靈魂。

美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 LSST 相機項目經理 Vincent Riot 說：“這對我們來講是一個巨大的里程碑。焦平面將產生 LSST 圖像，因此它是魯賓天文臺的干練而靈敏的眼睛。”

SLAC 天文臺負責人 Steven Kahn 表示：“這項成就是整個魯賓天文臺項目中最重要的一項。LSST 相機焦平面的完成及其成功的測試是相機團隊取得的巨大勝利，它將使魯賓天文臺能夠完成下一代天文科學的要求。”

最佳科學技術奇跡

在某種程度上，焦平面類似于數碼消費相機或手機相機的成像傳感器：它能捕獲從物體發射或反射的光，并將其轉換為用于產生數字圖像的電信號。

但是，LSST 相機的焦平面要復雜得多。事實上，它包含 189 個單獨的傳感器或電荷耦合器件（CCD），每個傳感器都能將 1600 萬像素的圖像帶到桌面上，與大多數現代數碼相機的成像傳感器數量大致相同。

在美國能源部的布魯克海文國家實驗室，9 套 CCD 及其配套的電子設備被組裝成叫做“科學筏”的方形單元，并被運往 SLAC。之后，攝影小組將其中的 21 個筏，加上另外 4 個不用于成像的特種筏插入網格中，并將它們固定在適當的位置。

焦平面具有一些不同尋常的特性。它不僅包含多達 32 億個像素點，而且像素也非常小（約 10 微米寬），并且焦平面本身非常平坦，其變化幅度不超過人類頭發寬度的十分之一。這使相機可以產生非常高分辨率的清晰圖像。

與全畫幅消費相機（full－frame consumer camera）1．4 英寸寬的成像傳感器相比，其焦平面的寬度高達超過 2 英尺，這樣的大小足以捕獲約 40 個滿月大小的天空。

最后，整個望遠鏡的設計方式是：成像傳感器能夠發現比肉眼可見的物體還要暗 1 億倍的物體，而這種靈敏度使人們可以看到數千英里外的蠟燭。

加州大學圣克魯斯分校 LSST 相機項目的科學家 Steven Ritz 說：“這些特征令人震驚。這種強大的功能將使魯賓天文臺浩大的科學計劃得以實現。”

未來 10 年，這臺相機將收集約 200 億個星系的圖像。Ritz 說：“這些數據將提高我們對銀河系如何隨時間演變的認識，并將使我們比以往任何時候都更深入、更精確地測試我們的暗物質和暗能量模型。”

高風險的組裝過程

焦平面完成于今年早些時候結束，SLAC 機組人員花了六個月的時間才將 25 個筏插入網格狹窄的槽中。為了使成像區域最大化，相鄰筏上傳感器之間的距離應小于五根人類頭發的寬度。由于成像傳感器相互接觸時很容易破裂，這使得整個操作變得非常棘手。

此外，這些筏也非常昂貴，每一片的成本高達 300 萬美元。

負責傳感器集成一線工作的 SLAC 機械工程師 Hannah Pollek 說：“高風險和嚴格的要求使得這個項目非常具有挑戰性。但是我們有一支多才多藝的團隊，導致我們最后的成功。”

LSST相機的完整焦平面寬度超過2英尺，包含189個獨立傳感器，將產生32億像素的圖像

該團隊成員花了將近一年的時間來準備筏的安裝。他們安裝了許多沒有進入最終焦平面的“練習”筏。這使得他們能夠使用 SLAC 的 Ravis Lange 開發的專用龍門架將 2 英尺高、20 磅重的筏完美地拉入網格。

SLAC 的 LSST 相機集成和測試團隊的負責人 Tim Bond 表示：“單個相機組件的巨大尺寸令人印象深刻，而研發這些組件的團隊合作規模也令人印象深刻。完成焦平面組裝需要一個精心設計的團隊，所有參與此項工作的人都能迎接挑戰。”

拍攝首張32億像素圖像

由于冠狀疫情大流行而導致幾個月無法進入實驗室，因此攝像小組在 5 月才恢復工作，但工作量有限且遵循嚴格的社交距離要求。目前正在進行大量的測試，以確保焦平面滿足支持魯賓天文臺科學計劃所需的技術要求。

其中一項測試就是對各種物體進行的首個 32 億像素圖像的拍攝，其中包括物體Romanesco（一種花椰菜）的頭部。

為了在沒有完全組裝好相機的情況下做到這一點，SLAC 團隊使用了一個 150 微米的針孔將圖像投影到焦平面上。

SLAC團隊使用針孔將圖像投影到焦平面來拍攝花椰菜圖像

SLAC 負責 LSST 相機組裝和測試的科學家 Aaron Roodman 說：“拍攝這些圖像是一項重大成就。憑借嚴格的規格，我們真正突破了利用焦平面每平方毫米可能性的極限，并最大限度地利用了我們可以目前可以用到的科學技術。”

LSST相機的焦平面的表面積足夠大且分辨率非常高，可以在15英里外發現一個高爾夫球

下一步，獲取該圖像所使用傳感器陣列將被集成到目前 SLAC 正在建造的世界上最大的數碼相機中。

一旦被安裝在智利的魯賓天文臺，這臺攝像機將拍攝出整個南部天空的全景圖像——以每晚拍攝一次全景的工作方式運行超過十年。

最后的沖刺階段

隨著該團隊完成相機的組裝，還有更多具有挑戰性的工作擺在面前。

在接下來的幾個月中，他們將把帶有焦平面的低溫恒溫器插入相機機身，并增加相機的鏡頭，包括世界上最大的光學鏡頭、快門和濾光片交換系統，用于研究不同顏色的夜空。

到 2021 年末，這款汽車 SUV 大小的攝像頭將在開始前往智利的旅程前完成最終測試。

SLAC 首席研究官兼基礎物理學副實驗室主任 JoAnne Hewett 說：“相機獲取首張圖像非常令人興奮，我們為能在建造魯賓天文臺這一關鍵組件中發揮如此重要的作用而感到自豪。這是一個里程碑，它使我們在探索宇宙的基本問題上又邁進了一大步，這是我們以前無法做到的。”

預計天文臺的相機將在 2022 年下半年開始拍攝天空圖像，而不是西蘭花。

相關技術資料

時空遺產調查項目（Legacy Survey of Space and Time，LSST）就像是一個目錄，記錄了比地球上人類數量還要多出很多的星系，以及無數的天體物體的運動。該天文臺將使用 LSST 相機拍攝有史以來最大的天文影像，并向人們揭示宇宙中一些人們較為關心的謎團，包括暗物質和暗能量。

LSST 相機的建造由美國能源部科學辦公室資助，是一項合作的項目，涉及到 SLAC、Brookhaven 國家實驗室、Lawrence Livermore 國家實驗室、哈佛大學、賓夕法尼亞大學、普渡大學、加州大學戴維斯分校、法國國家科學研究中心（CNRS）和法國國家核與粒子物理研究所（IN2P3）。

SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）是一個充滿活力的多程序實驗室，致力于探索宇宙如何以最大、最小和最快的尺度運轉，并發明了全球科學家使用的強大工具。其研究領域涵蓋粒子物理學、天體物理學和宇宙學、材料、化學、生物和能源科學以及科學計算，幫助解決現實世界中的問題并增進國家利益。

SLAC 由斯坦福大學為美國能源部科學辦公室運營。科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代最緊迫的挑戰。

魯賓天文臺（Rubin Observatory）是由美國國家科學基金會和能源部科學辦公室共同資助的聯邦項目，其早期建設資金是通過 LSST 公司從私人捐款中獲得的。由美國國家科學基金會資助的 LSST（現為魯賓天文臺）建設項目辦公室是由天文研究大學協會（AURA）管理的運營中心。能源部資助的魯賓天文臺 LSST 攝像機建造工作由 SLAC 管理。
責編AJX