Das Vera C. Rubin-Observatorium befindet sich auf dem Gipfel des Cerro Pachón in 2600 Metern Höhe in Chile. Dort bietet es das ganze Jahr über einen Himmel von außergewöhnlicher Qualität.
Bildnachweis: Hernan Stockebrand.
Dieses Programm mit dem Namen LSST (Legacy Survey of Space and Time) hat das Ziel, das erste animierte Porträt des beobachtbaren Universums zu erstellen, von Objekten des Sonnensystems bis hin zu den entferntesten Galaxien. Es wird außerdem eine völlig neue Menge an Daten für die Erforschung der dunklen Energie, der dunklen Materie, der zahlreichen kurzlebigen Phänomene des Universums und der unzähligen Objekte des Sonnensystems liefern, die noch katalogisiert werden müssen. Ein Überblick über dieses Projekt, das auf einem bedeutenden Beitrag des CNRS basiert.
Die LSST-Kollaboration hat am 23. Juni die ersten Aufnahmen ihres brandneuen erdgebundenen Teleskops veröffentlicht, das im chilenischen Vera C. Rubin-Observatorium installiert ist und dessen Mission es sein wird, die Tiefen des gesamten Kosmos der südlichen Hemisphäre über 10 Jahre zu erforschen.
Das LSST-Programm hat das Ziel, die Geheimnisse des Universums in allen Maßstäben zu erforschen, von unserem Sonnensystem bis zu den entferntesten Galaxien. Unter der Leitung der USA vereint es eine große internationale wissenschaftliche Gemeinschaft, in der französische Wissenschaftler eine wichtige Rolle spielen, rund um eine einzigartige Infrastruktur auf einem chilenischen Standort in über 2.600 Metern Höhe, wo klare Nächte und die Reinheit der Atmosphäre ideale Bedingungen für astronomische Beobachtungen bieten.
Ein globaler Blick auf den Himmel
Das LSST-Programm wird von erstaunlicher Vielfalt geprägt sein und sich mit der Erforschung der dunklen Materie befassen, einer im Universum reichlich vorhandenen Materie, die durch ihre gravitative Wirkung wahrnehmbar, aber für unsere Instrumente unsichtbar ist; oder mit der dunklen Energie, einem weiteren rätselhaften Phänomen, das die derzeitige Expansion des Universums zu beschleunigen scheint; oder auch mit der Entstehung von Galaxien, den Ursprüngen des Sonnensystems und allgemein mit allen kurzlebigen Phänomenen, nahen wie fernen, im Universum.
Tatsächlich beschränkt sich das Rubin-Observatorium nicht darauf, statische Himmelskörper zu beobachten: Indem es alle 3 Tage ein vollständiges Bild des Himmelsgewölbes aufnimmt und mit den vorherigen vergleicht, wird es einen echten Film des Universums erstellen und dabei alle Bewegungen von Objekten des Sonnensystems und unserer Galaxie, die Helligkeitsschwankungen der Sterne, Sternexplosionen usw. enthüllen. Jede Nacht erwarten die Wissenschaftler, auf diese Weise Millionen dieser Veränderungen zu entdecken.
Die Kuppel beherbergt ein weltweit einzigartiges Teleskop, das in der Lage ist, riesige Himmelsausschnitte in einem Stück in hochauflösender Qualität zu fotografieren. Es verfügt über ein Dreispiegelsystem, das es sehr kompakt und extrem agil macht, da es seine Position in nur 5 Sekunden ändern kann. Um den Himmel zu fotografieren, ist es mit einer riesigen Digitalkamera ausgestattet.
Bildnachweis: RubinObs/NSF/AURA/A. Alexov.
Eine halbe Welt unter Beobachtung
Mit anderen Worten, Rubin stellt eine halbe Welt unter Beobachtung, und um dies zu erreichen, haben die Wissenschaftler ein völlig einzigartiges Teleskop entwickelt. Mit einem Durchmesser von 8,4 Metern wurde das Simonyi-Teleskop entworfen, um große Teile des Himmels auf einen Blick zu erfassen. Sein sehr weiter Blickwinkel entspricht damit 40 Vollmonden: Seine Dreispiegeloptik macht es auch zu einem sehr kompakten Instrument, das trotz seiner Masse von 55 Tonnen in wenigen Sekunden sehr präzise positioniert werden kann.
Im Herzen des Teleskops, seit März 2025 installiert, befindet sich die LSST-Kamera, eine echte technische Meisterleistung und das Schlüsselelement des Instruments: Es handelt sich um die größte Digitalkamera der Welt.
Ihre Fokalebene, bestehend aus einem Mosaik von 189 CCD-Sensoren, wird die schwächsten Lichterscheinungen des Universums in hochauflösender Qualität einfangen können. Mit einem atemberaubenden Tempo von 800 Aufnahmen pro Nacht – jede davon deckt ein großes Himmelsfeld in verschiedenen Wellenlängen ab – wird das Teleskop den gesamten südlichen Himmel in drei Nächten abdecken. In 10 Jahren wird die Anzahl der kumulierten Aufnahmen des Universums die Tausend überschreiten.
Ein Filtersystem für höchste Präzision
Um Informationen über die Natur und die Entfernung zur Erde der Himmelskörper zu gewinnen, verwendet die Kamera eine Reihe von Filtern, die ein breites Spektrum an Wellenlängen abdecken. Diese Filter werden nacheinander vor das Kameraobjektiv gesetzt, dank eines automatisierten Systems, das vollständig in Frankreich entworfen und zusammengebaut wurde.
Diese Vorrichtung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen mehreren CNRS-Laboren: dem LPNHE (CNRS - Sorbonne Université), CPPM (CNRS - AMU), LPSC (CNRS - UGA), LPCA (CNRS - UCA) und IP2I (CNRS- Université Lyon 1). Es ermöglicht die Auswahl des für die jeweilige Beobachtung am besten geeigneten Filters mit hoher Geschwindigkeit und submillimetergenauer Präzision. Es kombiniert ein Lagerkarussell für bis zu 5 Filter, einen automatisierten Arm, der einen Filter mit einer Genauigkeit von 0,1 mm vor die Fokalebene setzt, und ein Lademodul.
Diese filigrane Arbeit ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung, von der Konzeption bis zur Einweihung des Prototyps im Jahr 2018 und schließlich der endgültigen Integration des Systems in die Kamera in Chile im Jahr 2024.
Der Bau der LSST-Kamera, der vom SLAC-Labor in den USA durchgeführt wurde, hat ebenfalls von weiteren Beiträgen des CNRS profitiert. Die französischen Teams waren insbesondere an der Herstellung der elektronischen Schaltkreise für das Auslesen der Sensoren, der Einrichtung der Kalibrierungsverfahren und der Definition der optischen Filter für die genaue Analyse des eingefangenen Lichts beteiligt.
Die Herausforderung der Datenverarbeitung
Den Himmel mit einer solchen Intensität zu beobachten, bedeutet auch, die Datenverarbeitung neu zu denken. Jedes von der LSST-Kamera aufgenommene Bild muss analysiert, klassifiziert, archiviert und den Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt werden, oft in Echtzeit. Das Volumen ist atemberaubend: Millionen identifizierter Himmelsobjekte, kontinuierlich zu detektierende und weiterzuleitende Alarme, im Laufe der Beobachtungen zu erstellende Kataloge.
Insgesamt werden in den zehn Jahren 500 Petabyte an Daten (etwa 1017 Bytes) produziert. Dank des Datenverarbeitungssystems werden jedoch "nur" 15 Petabyte in den Katalogen gespeichert.