Nejbláznivější plošné snímkování vesmíru  
Tento týden se v médiích objevila další dobrá zpráva na poli moderní astronomie. Americký úřad pro energetiku definitivně schválil výrobu 3.2-gigapixelové digitální kamery (největší dopoposud navržené), která bude tvořit srdce jedné ze čtyř budoucích obřích observatoří nové generace.

 

Největší navržená kamera v dějinách (nejen) astronomie.  Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Největší navržená kamera v dějinách (nejen) astronomie. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory

Kamerový digitální macek o rozměrech většího osobního automobilu a hmotnosti třech tun bude pořizovat širokoúhlé celooblohové snímky. Na jeden takový by bylo potřeba 1 500 běžných komerčních HDTV kamer. Fotony blízkého i vzdáleného vesmíru obstará před ní posazený teleskop s primárním zrcadlem orozměrech 8,4 metru.

Large Synoptic Survey Telescope (LSST) bude trůnit na vrcholu chilské hory Cerro Pachón ve výšce 2 682 metrů nad mořem. První snímky by měl začít pořizovat v roce 2022, a jeho minimální předpokládaná životnost činí 10 let.

Od dalších tří superobservatoří TMT, E-ELT a GMT se bude lišit metodou pořizování snímků. Nebude fungovat jako klasická observatoř, kde astronomové nasměrují teleskop na libovolnou část oblohy, kterou chtějí zkoumat. Optika LSST bude v pravidelných intervalech sledovat a snímkovat vybraná místa oblohy. Cílem je vytvořit rozsáhlý archiv vesmírných událostí ve velkém rozlišení.

Noc co noc se železnou pravidelností zaměří centrální procesorová jednotka teleskop s kamerou na přesně vymezený výsek oblohy a provede během 41 sekund, dvojici patnáctisekundových expozic, které se uloží do databáze rozsáhlého archivu. Poté hydraulika posune celý systém na sousední výsek hvězdného nebe, a celý proces se bude opakovat. Takto pokryje observatoř celou plochu jižní oblohy přibližně v průběhu třech nocí. Všechny procesy budou plně automatizované. Systém aktivní optiky snad ani není třeba zmiňovat, bez něj už by se neobešla žádná velká observatoř.

Systém výměnných filtrů z závěrky.  Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Systém výměnných filtrů z závěrky. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory



Mít takto podrobně zaznamenáno, co se kde šustne, má mnoho výhod. Při každém objevu supernovy se astronomové snaží dohledat snímky hvězdy před výbuchem. Ze zpětného záznamu se dá totiž určit spoustu vlastnosti nejen tohoto konkrétního objektu, ale vývoje hvězd obecně. Za takové informace platí astrofyziky zlatem. Právě v rychlosti záznamu a utřídění nasnímaných dat do databáze bude observatoř neocenitelná. Vždyť právě třeba u explozí supernov jsou někdy události počítány na desítky minut či hodiny. A jestli je její rychlost divující, pak množství distribovaných dat už může slabším povahám přivodit chvilkovou slabost...

Jako první pozemské astronomické pracoviště bude LSST schopno zaznamenat za jednu noc víc galaxií, než je počet obyvatel Země. Celkově půjde o desítky miliard objektů v průběhu jedné prohlídky. To sebou přináší nečekané problémy - jeden takový řeší od loňska speciálně sestavená komise z pověření National Science Foundation (NSF), pojmenována National Research Council (NRC): postarat se o distribuci a zpracování obrovských objemů dat generovaných observatoří, a maximalizovat tak vědecký přínos budoucího pracoviště. Podobný problém řešili zatím odborníci jen v případě CERNu.

 

Grafické znázornění zasazení observatoře do okloního terénu.  Kredit: LSST
Grafické znázornění zasazení observatoře do okloního terénu. Kredit: LSST

 

V porovnání s databází LSST blednou i ty nejobsáhlejší astronomické archivy jak pozemních tak kosmických observatoří. Co třeba náš starý dobrý maratonec Hubbleův kosmický teleskop a jeho RAW archiv? Jedním slovem: nic. Objem dat LSST překoná jeho celkovou kapacitu (více než pětadvaceti let záznamů) už za pár desítek hodin provozu. Za jednu noc vygeneruje LSST přibližně 30 TB dat. Toto množství je potřeba utřídit a rozdělit tak, aby běžný počítačový uživatel na druhém konci nebyl zahlcen daty.


Když se nějaký pan profesor na univerzitě rozhodne ukázat svým žákům konkrétní objekt na obloze z databáze teleskopu, musí se zaprvé vůbec zorientovat v hierarchii uložených dat, a za druhé ukousnout si z pozorovacího koláče jen takovou porci dat, aby mu nespadl prohlížeč, případně na konkrétní data nemusel čekat desítky minut. 
Jako optimální řešení se zatím jeví vytvoření online portálu, k němuž budou mít uživatelé neomezený přístup 24 hodin denně. Katalog bude rozdělen podle data a úseků oblohy, jako třeba v případě dnes už legendární Sloanovy digitální prohlídky oblohy v Novém Mexiku (další informace najdete zde), která má za poslední roky na pažbě 5 800 zářezů v podobě vědeckých publikací, a více než čtvrt milionu citací v pracech dalších.

Hvězdná prohlídka SDSS využívá ke snímkování 2,5m teleskop na vrcholu kopce s poetickým názvem Apache Point. Distribuce a archivace jejich dat zaměstnala mozky mnoha specialistů. Někteří z nich dokonce pomáhají komisi teleskopu LSST vyřešit problém třídění a distribuce snímků. Jenže v tomto případě jde o daleko tvrdší oříšek:

Jedna celooblohová prohlídka LSST (zahrnující snímkování v průběhu oněch třech nocí) vygeneruje více dat, než kompletní katalog SDSS od počátků až do současnosti. A to projekt Sloanovy přehlídky oblohy začal...ehm...v roce 2000. Pokud už je to na vás silné kafe, tak bez obav - bude to ještě bláznivější.

 

Systém optických komponent.  Kredit: SLAC National Accelerator LaboratorySystém optických komponent.  Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Systém optických komponent. Kredit: SLAC National Accelerator LaboratorySystém optických komponent. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory



"Poplach! Přestaň se věnovat manželce, a zapni si laptop." 
Vytvářet "pouhou" obří databázi by se samozřejmě minulo účinkem. I za použití sebelepšího výběru by nebylo v lidských silách procházet seznamy milionů událostí za jednu noc. Jak už jistě tušíte, zde byli do arény vpuštěni vývojáři. Ti navrhli na míru vytvořený software: Každou noc bude program vyhodnocovat netypické události (ve vztahu k předchozím expozicím),  jinými slovy všechny proměnné zdroje. S každým zaznamenaným rozdílem vygeneruje drobná upozornění. Ta budou rozděleny podle jejich povahy. Záblesky gama záření, supernovy, proměnné hvězdy, anomálie v galaxiích, toulavé asteroidy - zkrátka vše, co poruší noční klid. 

Počítačový systém bude generovat sérii takových upozornění generovat každou minutu (2x2 nových expozic).  Předpokládá se, že za jednu noc stihne až 10 milionů takových drobných "poplachů", což nám dává přibližně deset tisíc na každou minutu (!). Tato upozornění budou automaticky odesíláná do sítě světových observatoří, které se mohou na dané místo oblohy zaměřit.

Na to, aby systém zpracoval analýzu všech rozdílů v minutových intervalech a data roztřídil a poslal dál, musí množství výpočtů dosáhnout čtyřiceti bilionů operací za sekundu. V průběhu příštích dvou až tří let by měl být software dokončen a připraven k testování.

Samozřejmě není možné nejen pro jednotlivé astronomy ale ani pro početné týmy, zpracovat takové množství událostí v reálném čase, proto je součástí distribuce dat soubor všemožných filtrů, kde si budete moci vybrat pouze ta upozornění (události), která vás zajímají, nebo na která máte zrovna políčeno v rámci vašeho výzkumu. Hierarchie daných filtrů musí být dostatečně pohodlná a jasná - pořád musíme myslet na koncového uživatele. Samozřejmostí bude bude spolupráce platformy se všemi typy smart telefonů a dalších přenosných zařízení, takže astronomové se dozví o dané anomálii ihned, ať budou v autě nebo v pohodlí domácího divanu.

V průběhu jedné expozice dokáže LSST zaznamenat na obloze plochu 10 čtverečních stupňů, což obnáší přibližně 40 měsíčních úplňků.  Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
V průběhu jedné expozice dokáže LSST zaznamenat na obloze plochu 10 čtverečních stupňů, což obnáší přibližně 40 měsíčních úplňků. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory



Observatoř vygeneruje za rok provozu datový archiv o velikosti šesti milionů GB. Když se vrátíme k analogii k běžným digitálním fotoaparátům: zaplnit stejný objem dat by znamenalo pořídit osmimegapixelovými přístroji každou noc 800 000 snímků při běžném rozlišení. Kvalita a rozlišení záznamu LSST bude samozřejmě daleko větší.

Vědecká pozorování observatoře budou sloužit k výzkumu velkoobjemových kosmických struktur, podstaty temné hmoty a temné energie, formování galaxií, záznamu supernov, ale i k daleko prozaičtějšímu (a potřebnému) monitoringu asteroidů a jiných blízkozemních objektů, které můžou potenciálně ohrozit naši planetu.

VIDEO: Výroba segmentu primárního a terciálního zrcadla:

 

 


Letošní rok byl pro další osud observatoře velmi důležitý. V lednu byla dokončena výroba primárního a terciálního zrcadala, a v laboratořích SLAC je už připravena dvoupatrová hala o ploše více než 600 metrů čtverečních, která bude sloužit jako hermeticky uzavřené pracoviště (cleanroom) pro výrobu a testování hlavní kamery. Dvaadvacetitunové zrcadlo M1M3 o velikosti 10 x 2 metrů odborníci pulírovali šest let (což není v případě takových zakázek nic výjimečného).

Velikost primárního+terciálního zrcadla člověk ocení až při srovnání s něčím jemu podobným...    Kredit: LSST
Velikost primárního+terciálního zrcadla člověk ocení až při srovnání s něčím jemu podobným... Kredit: LSST

Po opracování při teplotách 1200 °C chladlo po dobu šesti měsíců. Už z názvu je patrná jeho netypická architektura. Vnější část tvoří primární zrcadlo (M1), zatím co plocha zrcadla terciálního zrcadla je umístěna do jeho střední části. Protichůdné sekundární zrcadlo M2 bude mít celkovou plochu 3,4 metrů čtverečních. Obraz z terciálního zrcadla bude promítán na plochu senzorů kamery.


Rok příští bude ještě hektičtější. Kontrakty s dodavateli jednotlivých součástí teleskopu jsou uzavřeny, takže výroba komponent bude po letošní zimě už v plném proudu. To samé platí pro výrobce optických senzorů kamery. Po letech testů více či méně úspěšných prototypů se rozeběhnou v r. 2016 ostré zkoušky kompletního optického systému kamery. Budování základů na vrcholku Cerro Pachón už je v plném proudu.

Budoucí cleanroom pro vývoj, výrobu a testování kameryKredit: SLAC National Accelerator Laboratory)
Budoucí cleanroom pro vývoj, výrobu a testování kameryKredit: SLAC National Accelerator Laboratory)


Nejen observatoř, ale samotná kamera je tak komplikovaným přístrojem, že se o vývoj a výrobu stará více pracovišť. Výrobní centrum kamerového systém se nachází v laboratořích SLAC (ten je pověřen robněž řízením celého projektu, dohledem nad vývojem a použitými technologiemi, výrobou jednotlivých komponent, vývojem potřebného softwaru a testováním kompletního zařízení. Na vývoji se však významně podílí i Brookhavenská národní laboratoř (BNL) a Lawrence Livermore National Laboratory. Dirigentskou taktovku tohoto bláznivého projektu drží v rukou odborníci z National Science Foundation (NSF). Ti mají tu čest rovněž zajišťovat ekonomický dohled. 

Asi si každý dovede představit,, jakou noční můrou je financování tak rozsáhlých projektů. Proto každá injekce zvenčí příjde vhod, a někdy přispějí i firmy či jednotlivci, jako třeba bývalý výkonný ředitel Microsoftu Charles Simonyi, mimochodem dvojnásobný turista na mezinárodní vesmírné stanici. Ten přispěl částkou dvaceti milionů dolarů, které  byly použity pro vývoj optického systému. Jeho bývalý šéf (tedy šéfa šéfů šéf) Bill Gates zasponzoroval projekt deseti miliony.


Literatura

 

 

https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-08-31-world%E2%80%99s-most-powerful-digital-camera-sees-construction-green-light.aspx

http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/mirror-mirrorhttp://phys.org/news/2015-01-astronomers-widest-view-universe-telescope.html

https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-01-09-world%E2%80%99s-most-powerful-camera-receives-funding-approval.aspx

https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Synoptic_Survey_Telescope

Datum: 03.09.2015
Tisk článku

Související články:

K narozeninám jedné naprosto úžasné sondy     Autor: Vladimír Pecha (29.08.2015)



Diskuze:

LSST

Petr Valach,2015-09-05 16:48:57

Jé to je hezké zjistit, že jsme taky o něčem publikovali dřív než Osel :-)) Prakticky vždycky to bývá naopak.
http://exospace.cz/dalekohlad-lsst-s-najvacsou-kamerou-sveta

Odpovědět


Re: LSST

Milan K,2015-09-05 18:07:12

Tentokrát to mají primárně od vás, jen bylo těžké sehnat překladatele.

Odpovědět

Senzor

Petr Nejedlý,2015-09-04 19:12:03

Mně v článku nejvíce chyběly údaje o senzoru, obzvláště když na jeho sestavení mají dvě patra cleanroom, ale už jsem něco dohledal.
Jsou vskutku zajímavé, celkový průměr přes 60cm, jednotlivé, zezadu nasvicované segmenty pak jsou 42x42mm (každý má 4k x 4k pixelů). A aby správně "přečetli" foton, co napřed urazí nějaké ty miliardy světelných let, musí jednotlivé segmenty vyrovnat na deset mikrometrů.

Odpovědět


Re: Senzor

Vladimir Pecha,2015-09-04 23:06:12

Ono tam toho chybělo daleko víc, u takového projektu to není na krátký text, ale rovnou na knihu. Nedávno jsem ji objevil a hodlám si ji objednat: http://www.lsst.org/scientists/scibook . Já se rozhodl v textu zaměřit víc na datovou infrastrukturu (vskutku titánský logistický úkol), ale díky i za uvedené údaje o senzorech!

Odpovědět


? reaguje Senzor na jediný foton

Josef Hrncirik,2015-09-05 12:27:00

? dokáže rozlišit jeho energii
? při jakém toku se ztrácí linearita či dojde k zahlcení

Odpovědět


Re: ? reaguje Senzor na jediný foton

Petr Nejedlý,2015-09-06 07:18:47

Mlhavě z paměti (hltal jsem to docela rychle a soustředil se na jiné parametry):
Na "pixel" by se mělo vejít 300.000e, do 90.000e by měl být lineární.
Senzor je citlivý někde od 1100nm (dolů, samozřejmě) a energii fotonu nerozezná, proto snímkuje ten samý výsek s 5 různými filtry. O ty superenergetické fotony se ostatně ani moc nezajímá, modrý limit má v blízkém UV.
S rozpoznáváním jednotlivých fotonů se nepočítá, samotné vyčtení CCD přidává šum kolem 5e, a to ho ještě dělají naschvál pomalu (a paralelně), 500k pixelů/s, aby tenhle zdroj šumu omezili.

Odpovědět


1-*

Josef Hrncirik,2015-09-06 09:32:56

nechce se mi to hledat, v pamětech to u mě nikdy nebylo, proto pomóc!:
? šum 5e = /pixlu ?nebo /celé čtení 10 Mpx
? Asi míněno na expozici 25 sekund?
? hádám, že doba "laviny" = 25 s/300.000 e=f = cca 10**-4s =: max.10kH
?"lavina" je vlastně jaká energie, uvolněná kde a jak (dá se to najít třeba i jen přes CCD?)
? čte se jen 1x/25 s
? pixel je cca 10x vlna světla kvůli mizerné num. apertuře a dělat pixel jen cca 550nm skutečnému rozlišení už nepomůže

Odpovědět


Re: 1-*

Petr Nejedlý,2015-09-07 08:29:35

Nejsem si jist, že správně rozumím všem otázkám, ale pokusím se...

Jeden kus křemíku (42x42mm) má 16Mpx

Expozice (otevřená závěrka) je 15s, pak se 2s čte. Těch 16Mpx je logicky děleno na 16 segmentů které se čtou paralelně (16x A/D, 16x datová sběrnice, ...), díky tomu jen 500kpx/s

Těch 5e je očekávaná chyba zanesená posouváním elektronů v CCD struktuře. ROzumím tomu tak, že kdyby četli rychleji, budou po cestě ztrácet průměrně víc elektronů.

Ano, mezi snímky je nějaký "opticky nevyužitý" čas, pro výměnu filtrů, pro změnu polohy apod.

Pixel je tak velký, aby se do něj za těch 15s vůbec nějaký ten foton trefil. Rozlišení je tady dole na zemi primárně limitováno atmosférou a celá optická sestava je naopak velmi rychlá (nízká numerická apertura).

Nerozumím o jaké lavině se bavíme. Fotony jsou ostře filtrované do citlivosti senzoru, takže můžeme počítat jeden foton -> jeden elektron.
Také prý mají velmi izotopicky čistý křemík, což jim umožňuje silnější elektrické pole napříč materiálem, aby jim při těch 100um tloušťky a backside illumination vyražené elektrony trefily do správného pixelu a nechodily všude okolo.

Odpovědět


3$ = 1*; díky.(odmítá mi to posílat eura)

Josef Hrncirik,2015-09-07 13:24:24

Odpovědět

Mrakoplaš Skywalker,2015-09-03 03:43:33

No to je skvělý. Jestli to vyfotí co si myslím, že by to mohlo vyfotit, tak mi snad konečně uvěříte.

Odpovědět


Re:

Filip Gája,2015-09-03 12:07:02

...Aliens...

Odpovědět


Re: Re:

Mrakoplaš Skywalker,2015-09-03 14:58:53

Kdyby byli ufoni, tak už nás dávno obtěžují prosbami o oříškovou zmrzlinu.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Josef Hrncirik,2015-09-06 11:11:25

minule dostali pistáciovou a salmonelovou

Odpovědět


Alliens selfie 10 Gpx

Josef Hrncirik,2015-09-06 08:54:17

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace