Телескоп SOAR на Серро-Пахон в Чили. Фото предоставлено: NOIRLab
Используя инструмент на 4,1-метровом Южном астрофизическом исследовательском телескопе, исследователи получили первый астрономический спектр с помощью устройств с зарядовой связью (CCD).
Результаты были представлены 16 июня на встрече Общества инженеров фотооптического приборостроения «Астрономические телескопы + приборостроение» в Японии Эдгаром Марруфо Вильяльпандо, аспирантом по физике Чикагского университета и научным сотрудником Fermilab DOE по исследованиям в области приборостроения.
«Это важная веха в развитии технологии Skipper CCD», — сказал Алекс Дрлика-Вагнер, космолог из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, который руководил проектом. «Это помогает снизить предполагаемые риски использования этой технологии в будущем, что имеет решающее значение для будущих космологических проектов Министерства энергетики».
Это большое достижение для проекта, разработанного и начатого в рамках программы лабораторных исследований и разработок в Фермилабе в сотрудничестве с группой детекторов NOIRLab NSF. LDRD — это национальная программа, спонсируемая Министерством энергетики, которая позволяет национальным лабораториям самостоятельно финансировать проекты исследований и разработок, исследующие новые идеи или концепции.
ПЗС-матрицы были изобретены в США в 1969 году, а сорок лет спустя за свои достижения ученые получили Нобелевскую премию по физике. Устройства представляют собой двумерные массивы светочувствительных пикселей, которые преобразуют поступающие фотоны в электроны. Обычные ПЗС-матрицы — это датчики изображения, впервые использованные в цифровых камерах, и они остаются стандартом для многих научных приложений обработки изображений, например, в астрономии, хотя их точность ограничена электронным шумом.
Космологи пытаются понять загадочную природу темной материи и темной энергии, изучая распределение звезд и галактик. Для этого им нужны передовые технологии, которые позволят им обнаруживать более слабые и удаленные астрономические объекты с как можно меньшим шумом.
Хотя эти измерения возможны с помощью существующей технологии ПЗС, они занимают много времени или менее эффективны. Таким образом, астрофизикам необходимо либо усилить сигнал, то есть инвестируя больше времени в крупнейшие в мире телескопы, либо уменьшить электронный шум.
ПЗС-матрицы Skipper были представлены в 1990 году для снижения электронного шума до уровня, позволяющего измерять одиночные фотоны. Это достигается путем многократного измерения интересных пикселей и пропуска остальных. Используя эту стратегию, ПЗС-матрицы Skiper могут повысить точность измерений в интересных областях изображения, одновременно сокращая общее время считывания.
В 2017 году ученые впервые использовали ПЗС-матрицы для экспериментов с темной материей, таких как SENSEI и OSCURA. Однако новая презентация показывает, что эта технология впервые использовалась для наблюдения за ночным небом и сбора астрономических данных.
31 марта и 9 апреля исследователи использовали ПЗС-матрицы Skipper в спектрографе SOAR Integral Field для сбора астрономических спектров скопления галактик, двух далеких квазаров, галактики с яркими эмиссионными линиями и звезды, которая может иметь галактику с преобладанием темной материи. -тусклая галактика. Они были первым астрофизическим ПЗС-устройством наблюдения, которое достигло уровня шума ниже электронного предела и подсчитало отдельные фотоны на оптических длинах волн.
«Невероятно то, что эти фотоны от объектов, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет, попали в наши детекторы, и мы смогли измерить каждый из них», — сказал Марруфо Вильяльпандо.
Исследователи анализируют данные этих первоначальных наблюдений, и следующий запланированный запуск инструмента Skipper CCD на телескопе SOAR запланирован на июль 2024 года.
«Прошло много десятилетий с тех пор, как был изобретен Skipper, и я был удивлен, увидев, что технология вернулась к жизни много десятилетий спустя», — сказал Джим Джейнсик, изобретатель Skipper CCD и выдающийся инженер SRI International, исследовательского института в Калифорнии. . «Результаты шума потрясающие. Я упал со стула, когда увидел очень чистые данные».
После первой успешной демонстрации технологии Skipper CCD для астрофизики ученые уже работают над ее усовершенствованием. Следующее поколение шкиперных ПЗС-матриц, разработанных Фермилабом и Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, в 16 раз быстрее нынешних устройств. Эти новые устройства значительно сократят время считывания, и исследователи уже начали их тестирование в лаборатории.
Следующее поколение шкиперных ПЗС-матриц предназначено для будущих космологических исследований Министерства энергетики, таких как спектроскопические эксперименты DESI-II и Spec-S5, рекомендованные в недавнем процессе планирования физики элементарных частиц в США. Кроме того, НАСА рассматривает возможность использования ПЗС-матриц Skipper для будущей обсерватории обитаемых миров, которая будет обнаруживать планеты земного типа вокруг звезд, подобных Солнцу.
«Мне очень интересно увидеть, где в конечном итоге окажутся эти детекторы», — сказал Марруфо Вильяльпандо, присоединившийся к программе в 2019 году. «Люди используют их повсюду, чтобы делать удивительные вещи; их полезность варьируется от физики элементарных частиц до космологии. Это очень универсальная и полезная технология».
Проект стал результатом тесного сотрудничества физиков, астрономов и инженеров из лаборатории Фермилаб в Чикаго, NOIRLab Национального научного фонда, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики и Национальной астрофизической лаборатории Бразилии.
Информация от: Национальной ускорительной лабораторией имени Ферми.
