À l’intérieur de l’observatoire Vera C. Rubin, qui abrite le plus grand appareil photo numérique du monde

L'année prochaine, le monde de l'astronomie devrait s'agrandir encore avec les premières opérations de l'observatoire Vera C. Rubin. Cet observatoire gigantesque est actuellement en construction au sommet du Cerro Pachón, une montagne de près de 9 000 pieds de haut au Chili.

L'observatoire abritera un télescope de 8,4 mètres qui captera la lumière des galaxies lointaines et la canalisera dans le plus grand appareil photo numérique du monde, produisant des images incroyablement profondes de tout le ciel austral.

Si vous vous êtes déjà demandé comment les ingénieurs font passer la technologie des appareils photo numériques de quelque chose d'assez petit pour tenir dans votre téléphone à quelque chose d'assez grand pour capturer des galaxies entières, nous avons parlé au scientifique de l'Observatoire Rubin, Kevin Reil, pour en savoir plus sur ce kit unique et comment cela pourrait aider à percer certains des plus grands mystères de l'astronomie.

Le plus grand appareil photo numérique du monde

À la base, l'appareil photo Rubin fonctionne de la même manière qu'un appareil photo numérique commercial comme celui de votre téléphone portable – bien que sa technologie soit en fait plus proche de celle des appareils photo pour téléphones portables d'il y a cinq ans, car il utilise une technologie de capteur appelée CCD au lieu de CMOS, car la construction de la caméra de l'observatoire a commencé il y a 10 ans. La plus grande différence est en termes d'échelle : l'appareil photo de votre téléphone peut avoir une résolution de 10 mégapixels , mais l'appareil photo Rubin a une résolution époustouflante de 3 200 mégapixels.

Pour vous donner une idée plus tangible de ce à quoi ressembleraient 3 200 mégapixels, il faudrait 378 écrans de télévision 4K pour afficher une image en taille réelle, selon le SLAC National Accelerator Laboratory, qui construit la caméra. Ce type de résolution vous permettrait de voir une balle de golf à 15 miles de distance.

Pour obtenir ce type de résolution, chaque élément du matériel de la caméra doit être conçu et fabriqué avec une extrême précision. Les lentilles sont un composant de l'appareil photo qui nécessite une fabrication particulièrement soignée. Il y a trois lentilles pour aider à corriger les aberrations dans les signaux entrants, et chacune doit avoir une surface parfaitement sans défaut.

C'est encore plus difficile à atteindre que la précision requise pour les miroirs de télescope, car les deux côtés de la lentille doivent être également polis. "Le défi est, maintenant, au lieu d'une surface pour un miroir, vous avez deux surfaces qui doivent être parfaites", a expliqué Reil. "Toutes les optiques de cet observatoire – les lentilles et les miroirs – sont le genre de choses qui prennent des années à créer."

Obtenir les objectifs parfaits n'est même pas la partie la plus difficile du type de kit nécessaire pour un tel télescope. "C'est une technologie connue", a déclaré Reil. "C'est difficile, mais il y a des entreprises qui savent fabriquer ces lentilles."

Là où la caméra Rubin pousse dans un terrain beaucoup plus rarement foulé, c'est avec ses capteurs. Avec une résolution aussi élevée de 3 200 mégapixels, les 189 capteurs de l'appareil photo doivent être disposés en un réseau et modifiés jusqu'à ce qu'ils atteignent des spécifications rigoureuses. Chacun de ces capteurs dispose de 16 canaux, soit 3 024 canaux au total.

"Pour moi personnellement, le plus grand défi a été les capteurs", a déclaré Reil. « Avoir 16 canaux de lecture et 189 capteurs, et les lire tous en même temps. Donc, l'acquisition de données, et vraiment faire en sorte que les capteurs répondent aux exigences. »

Ces exigences pour les capteurs concernent des choses comme un très faible niveau de bruit de lecture – c'est la texture granuleuse que vous verrez lorsque vous prendrez une photo dans l'obscurité à l'aide de votre téléphone portable. Pour minimiser ce bruit, qui perturberait les observations astronomiques, les capteurs sont refroidis à moins 150 degrés Fahrenheit. Mais même cela ne peut qu'aider beaucoup, de sorte que les capteurs doivent être fabriqués avec beaucoup de soin pour réduire le bruit de lecture, ce que seule une poignée d'entreprises dans le monde peut faire.

Un autre problème concerne le plan focal de la caméra, qui a à voir avec la façon dont la caméra se concentre. Pour garder ce plan totalement plat, à quelques microns près, les capteurs doivent être montés sur un radeau en carbure de silicium, puis installés dans la caméra.

L'une des principales différences entre l'appareil photo d'un télescope et un appareil photo numérique typique réside dans l'utilisation de filtres. Au lieu de capturer des images en couleur, les caméras de télescope prennent en fait des images en noir et blanc à différentes longueurs d'onde. Ces images peuvent ensuite être combinées de différentes manières pour sélectionner différentes caractéristiques astronomiques.

Pour ce faire, la caméra Rubin est équipée de six filtres, dont chacun isole différentes longueurs d'onde du spectre électromagnétique – de l'ultraviolet, à travers le spectre de la lumière visible et dans l'infrarouge. Ces filtres sont de grands morceaux de verre ronds qui doivent être déplacés physiquement devant la caméra, de sorte qu'un mécanisme est attaché à la caméra pour les échanger selon les besoins. Une roue tourne autour du corps de l'appareil photo, amenant le filtre requis vers le haut, puis un bras prend le filtre et le glisse en place entre les objectifs.

Enfin, il y a l'obturateur. Il s'agit d'un système à deux lames qui glisse sur la face des lentilles, puis revient pour capturer une image. "C'est extrêmement précis", a déclaré Reil. "La distance entre ces lames mobiles et l'objectif numéro trois est très, très proche." Cela nécessite une ingénierie minutieuse pour s'assurer que l'espacement est exactement correct.

Voir l'image plus large

Toute cette ingénierie de précision permettra à Rubin d'être un outil astronomique extrêmement puissant. Mais il n'est pas aussi puissant que des outils comme le télescope spatial Hubble ou le télescope spatial James Webb, qui sont conçus pour observer des objets très éloignés. Au lieu de cela, Rubin regardera d'énormes morceaux entiers de ciel, arpentant le ciel entier très rapidement.

Il examinera l'ensemble du ciel austral une fois par semaine, répétant cette tâche encore et encore et collectant environ 14 téraoctets de données chaque nuit. En disposant de telles images régulièrement mises à jour, les astronomes peuvent comparer ce qui s'est passé dans une partie donnée du ciel la semaine dernière à ce qui s'y trouve cette semaine – et cela leur permet d'attraper des événements à évolution rapide comme les supernovae, pour voir comment ils changent au fil du temps.

Donc, ce n'est pas seulement la collecte de toutes ces données à l'aide du matériel de la caméra qui est un défi, mais aussi leur traitement très rapide afin qu'elles puissent être mises à la disposition des astronomes à temps pour qu'ils puissent voir de nouveaux événements au fur et à mesure qu'ils se produisent.

Et les données seront également rendues publiques. Vous serez en mesure de choisir n'importe quel objet dans le ciel du sud et d'extraire des images de cet objet, ou simplement de parcourir les données d'enquête montrant le ciel avec des détails époustouflants .

Un relevé du ciel profond et étendu

En plus d'être une ressource pour les astronomes qui étudient l'évolution d'un objet particulier au fil du temps, l'observatoire Rubin sera également important pour identifier les objets proches de la Terre. Ce sont des astéroïdes ou des comètes qui s'approchent de la Terre et pourraient potentiellement menacer notre planète, mais qui peuvent être difficiles à repérer car ils se déplacent très rapidement dans le ciel.

Avec son grand miroir et son champ de vision, l'observatoire Rubin sera en mesure d'identifier les objets particulièrement proches de la Terre et appelés objets potentiellement dangereux. Et comme ces données sont fréquemment actualisées, elles devraient pouvoir signaler les objets qui nécessitent une étude plus approfondie pour que d'autres télescopes puissent les observer.

Mais la plus grande contribution de l'observatoire pourrait être l'étude de la matière noire et de l'énergie noire. En fait, l'observatoire porte le nom de l'astronome américaine Vera C. Rubin, qui a découvert la première preuve de matière noire grâce à ses observations de galaxies dans les années 1960 et 1970.

L'observatoire Rubin pourra sonder la substance mystérieuse de la matière noire en regardant l'univers à très grande échelle.

"Pour vraiment voir la matière noire – eh bien, vous ne pouvez pas", a expliqué Reil. "Mais pour vraiment étudier la matière noire, il faut regarder l'échelle de la galaxie."

En regardant à quelle vitesse les étoiles autour d'une galaxie tournent, vous pouvez déterminer la masse qu'il doit y avoir entre ces étoiles et le centre galactique. Lorsque nous faisons cela, la masse que nous pouvons voir n'est pas suffisante pour expliquer ces rotations – "même pas assez", a déclaré Reil. Il manque donc une quantité de masse que nous devons expliquer. "C'est la matière noire", ajoute-t-il.

Un principe similaire s'applique à des amas entiers de galaxies. En observant les orbites des galaxies au sein de ces amas, que Rubin pourra observer avec son large champ de vision, les observations gagneront un nouveau niveau de puissance statistique. Et pour étudier le phénomène connexe de l'énergie noire, un type hypothétique d'énergie qui explique le taux d'expansion de l'univers, les astronomes peuvent comparer la masse calculée des grands objets à leur masse observée.

"Vous pouvez voir chaque amas de galaxies, et vous ne pouvez pas obtenir plus de statistiques que vous n'en obtenez de tout le ciel", a déclaré Reil. "Il y a de réels avantages à avoir toutes les données disponibles sur le sujet par rapport à un petit champ de vision."