Más allá del Nobel: la cámara digital CCD más grande jamás construida explorará el universo

Diseño de la cámara LSST, vigente en noviembre 2007. La cámara LSST está diseñada para proporcionar un amplio campo de visión con una toma de muestras mejor que 0,2 segundos de arco y toma de muestras espectrales en cinco o más bandas de 400nm a 1060nm. La superficie de la imagen es plana, con un diámetro de aproximadamente 64 cm. El formato del detector será un mosaico circular que ofrece más de 3 Gigapixels por imagen. La cámara incluye un mecanismo de filtro y, si es necesario, la capacidad de encofrado. La cámara se coloca en el centro del telescopio. (Crédito de la imagen: LSST Corporation)

El Premio Nobel de Física 2009 fue otorgado a tres investigadores que hicieron avances en las tecnologías ópticas. Charles Kao ganó la mitad del premio por dirigir la búsqueda para el desarrollo de las fibras ópticas que pueden transmitir información a grandes distancias. Willard Boyle y George Smith compartieron la otra mitad por su desarrollo de dispositivos de acoplamiento de carga, o CCD, los sensores que se encuentran en las cámaras digitales.

Los dispositivos CCD son de particular interés en astronomía, ya que esa tecnología está detrás dwl próximo telescopio que representará un enorme paso en nuestra comprensión de la materia oscura y la energía oscura. El Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos, LSST, ubicado físicamente en Chile, rápidamente escaneará el cielo haciendo los mapas más detallados de las estrellas y galaxias jamás creados. Será capaz de detectar objetos extremadamente débiles y así estará buscando a mayor distancia que cualquier otro telescopio de mapeo de todo el cielo, mientras que también observará los pequeños, rápidos movimientos de objetos cercanos.

El telescopio está compuesto de un conjunto de óptica para recoger y enfocar la luz y una cámara CCD para recogerla. El diseño de la cámara CCD y la construcción están a cargo del Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas y Cosmología en el SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford. Se trata de la cámara CCD más grande jamás construida, con 3,2 gigapixels, o 3200 megapíxeles para que sirva de comparación con las cámaras digitales caseras.

La cámara digital más grande existente es el Telescopio de Observación Panorámica y Sistema de Respuesta Rápida, o Pan-Starrs, cámara que tiene 1,4 gigapixels. El PS1 es el primero de los cuatro telescopios que se utilizará principalmente para la detección de objetos potencialmente peligrosos en nuestro sistema solar. También realizará varias observaciones astronómicas. Por el contrario, el LSST se utilizará principalmente para astrofísica, aunque también estará en condiciones de realizar el seguimiento de asteroides y otros objetos peligrosos del espacio.

La idea básica de un CCD es que cuando los fotones llegan a la superficie del dispositivo, los electrones se liberan del material (en un proceso llamado efecto fotoeléctrico, por el que Einstein ganó el Premio Nobel), y los electrones se concentran en la superficie. La cantidad de carga eléctrica que se acumula representa la cantidad de luz que golpeó ese lugar. Después de algún tiempo de exposición, la carga se transporta hacia el lado del detector, a través de un mecanismo de lectura fila por fila, donde se hace la cuenta y se convierte en una cadena de números para formar la imagen digital.

El uso de grandes CCD para fines astronómicos presenta todo tipo de retos, más allá de lo que se necesita hacer para una cámara digital casera. Para empezar, una cámara digital sufre de ruido electrónico, donde los electrones extra emergen y se mantienen como suplemento en la superficie de la cámara, como si fuera de un fotón fantasma. Se pueden ver publicidades de algunas cámaras digitales que resaltan sus sensores de bajo ruido, hablando de este mismo problema. La cuestión es mucho más grave en el LSST; el telescopio sólo recoge un pequeño número de fotones de muchas fuentes débiles, por lo que sólo unos pocos electrones perdidos pueden arruinar la imagen. El calor es suficiente para expulsar algunos electrones no deseados, por lo que toda la cámara del LSST tiene que ser enfriada a temperaturas de nitrógeno líquido para reducir el ruido.

Con una cámara tan grande, el tiempo necesario para la lectura de carga acumulada se convierte en un problema. Eso significa que el detector se hace como un mosaico de elementos menores, todos capaces de leer a la vez. Aun así, todavía tardará hasta dos segundos para leer todos los datos de una imagen, sobre el tiempo que toma para la cámara cambiar la posición de sí misma para la siguiente imagen. Tratar con una mayor cantidad de datos es también un desafío, y el telescopio recogerá alrededor de 30 terabytes de datos cada noche. Eso coloca a la recolección de datos en el rango de las necesidades de muchos grandes proyectos de física de partículas. Es por eso que se están desarrollando sistemas de computación enteramente nuevos para el manejo de datos del LSST.

Aqui se muestra la detallada distribución de la masa en el cúmulo CL0024, con papel cuadriculado superpuesto distorsionado gravitacionalmente. Esta detallada distribución de materia oscura puede ser utilizada para restringir las teorías de la materia oscura. La fuerte lente observada de una galaxia de fondo se invierte para producir un modelo para la distribución de masa. Este modelo fue utilizado para calcular el efecto de lente en papel cuadriculado ortogonal que se coloca detrás de la lente gravitacional. (Crédito de la imagen: LSST Corporation)

Con todos estos datos, el LSST será capaz de reconstruir detalladamente la distribución de la masa en el universo, sobre la base de la forma en que se curva la luz durante el proceso de lente gravitatoria. De esa información, los científicos serán capaces de entender mucho más sobre la naturaleza y distribución de materia oscura y su papel en la formación de galaxias y cúmulos de galaxias. Al observar objetos distantes, LSST estará efectivamente mirando hacia atrás en el tiempo, de modo que será capaz de observar cómo el universo ha evolucionado, dando lugar a ideas acerca de cómo la energía oscura ha influido en la evolución y dar consejos sobre lo que la energía oscura podría ser en realidad.
Es un largo camino de algunos científicos innovadores experimentando en sus laboratorios para entender la evolución del universo, pero los CCD se han convertido en una parte esencial para una amplia gama de ciencias, de lo microscópico a lo cósmico.

Fuente:
Beyond the Nobel: The largest ever CCD digital cameras will explore the universe

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