Обсерватория Саймонса, комплекс телескопов, которые будут изучать свет, оставшийся от Большого взрыва, расположена на вершине высокой пустыни на севере Чили. Фото: Б. Китинг/Калифорнийский университет в Сан-Диего.
На вершине высокого плато в пустыне Атакама в Чили начинает обретать форму долгожданная обсерватория: самый большой комплекс наземных телескопов, посвященный изучению самого старого света во Вселенной: излучения, оставшегося от Большого взрыва.
Астрономы на протяжении десятилетий изучали это первобытное излучение, известное как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), которое омывает Вселенную и дает представление о том, как выглядел космос возрастом 14 миллиардов лет в зачаточном состоянии, всего 380 000 лет спустя. его насильственное рождение. Именно тогда Вселенная стала достаточно холодной, чтобы электроны и атомные ядра объединились в атомы, что позволило свету свободно течь в космос.
Группа телескопов в Чили, известная под общим названием Обсерватория Саймонса, предлагает ключевое преимущество перед другими аналогичными инструментами: она оснащена новым поколением чрезвычайно чувствительных микроволновых детекторов и сложной системой считывания данных, созданными учеными Национального института Стандарты и технологии (NIST).
Детекторы, разработанные NIST, известные как болометры с датчиком переходного края, представляют собой тепловые датчики, состоящие из тонких пленок материала, охлажденного до одной десятой градуса выше абсолютного нуля. Действуя как миниатюрные термометры, болометры могут распознавать мельчайшие изменения температуры реликтового излучения на более чем 40 процентах неба, отметил ученый NIST Йоханнес Хубмайр.
Изображение одного микросхемы микроволнового СКВИД-мультиплексора размером 4 на 20 миллиметров и содержащего 65 каналов считывания СКВИДа. Авторы и права: Отдел квантовых датчиков PML/NIST.
Эти крошечные горячие и холодные пятна в излучении, которые соответствуют небольшой повышенной и пониженной плотности в ранней Вселенной, представляют собой зародыши, из которых сформировались галактики. (Болометры также регистрируют модели различных поляризаций в реликтовом излучении — колебания электрического поля излучения — которые кодируют информацию о Вселенной через мгновение после Большого взрыва.)
Для измерения температуры исследователи подают на болометры небольшое напряжение, которое удерживает охлажденные детекторы в равновесии между двумя состояниями: сверхпроводящим, в котором ток течет свободно, без какого-либо сопротивления, и несверхпроводящим, в котором ток встречает сопротивление. Когда датчики поглощают энергию поступающего реликтового излучения, их электрическое сопротивление увеличивается, что приводит к уменьшению силы тока, протекающего через них. Падение тока позволяет измерить температуру реликтового излучения в определенной точке неба.
Однако одновременная обработка сигналов с 67 080 ультрахолодных болометров обсерватории Саймонса представляет собой сложную задачу. Практически невозможно подключить провод от каждого из детекторов к устройству считывания комнатной температуры без нагрева болометров до температуры, выходящей за пределы их узкого рабочего диапазона.
Исследователи NIST разработали эту детекторную решетку, которая содержит 1720 болометров с датчиками переходного края, для измерения поляризации космического микроволнового фона. Авторы и права: Отдел квантовых датчиков PML/NIST.
Исследователи NIST, в том числе Джон Мейтс, разработали метод, который позволяет объединять сигналы тысяч болометров по одному проводу. Этот метод, основанный на устройствах, известных как СКВИДы, преобразует изменение тока, измеряемого каждым болометром, в сдвиг частоты крошечного резонатора. Объединив в одном проводе уникальные частотные сдвиги, вызванные тысячами отдельных болометров, команда NIST значительно сократила количество соединений при комнатной температуре и возможность теплопередачи.
Для обсерватории исследователи NIST изготовили более 2000 крошечных резонаторов и СКВИДов на одной кремниевой пластине. За два года команда изготовила более 50 таких пластин, которые будут использоваться для считывания показаний датчиков переходного края. Исследователи никогда раньше не поставляли такое большое количество высококачественных сверхпроводящих схем.
В своем последнем исследовании ученые продемонстрировали, что им достаточно провести электронное тестирование только четырех из 32 чипов, расположенных на каждой пластине, чтобы проверить работу всей пластины.
Хабмайр, Мейтс, Данте Джонс и их коллеги из НИСТ представили отчет о своей работе в Журнал теплофизики.
Информация от: Национальным институтом стандартов и технологий.
