Şili’deki Cerro Pachon’daki Güney Astrofizik Araştırma (SOAR) Teleskobu. Kredi bilgileri: NOIRLab
Araştırmacılar yakın zamanda bu teknolojiyi kullanarak ilk astronomik spektrumu yakalamak için 4,1 metrelik Güney Astrofizik Araştırma Teleskobu üzerindeki kaptan şarj bağlantılı cihazları (CCD’ler) kullandılar.
Skipper CCD teknolojisindeki son gelişmeler, hassas, düşük gürültülü astronomik gözlemlere olanak tanıyarak, kozmoloji ve ötesinde gelecekteki bilimsel atılımların önünü açmıştır.
Araştırmacılar, 4,1 metrelik Güney Astrofizik Araştırma (SOAR) Teleskobu’ndaki bir aleti kullanarak, skipper yük çiftli aygıtlar (CCD’ler) kullanarak ilk astronomik spektrumu elde ettiler.
Sonuçlar 16 Haziran’da Japonya’da düzenlenen Foto-Optik Enstrüman Mühendisleri Topluluğu Astronomik Teleskoplar + Enstrümanlar toplantısında fizik alanında doktora adayı olan Edgar Marrufo Villalpando tarafından sunuldu. Chicago Üniversitesi ve Fermilab DOE Lisansüstü Enstrümantasyon Araştırma Ödülü Üyesi.
Astronomide Teknolojik Dönüm Noktası
Projeyi yöneten ABD Enerji Bakanlığı’nın Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan kozmolog Alex Drlica-Wagner, “Bu, kaptan-CCD teknolojisi için önemli bir kilometre taşıdır” dedi. “Gelecekteki DOE kozmoloji projeleri için hayati önem taşıyan bu teknolojinin gelecekte kullanılmasıyla ilgili algılanan risklerin ortadan kaldırılmasına yardımcı oluyor.”
Bu, NSF’nin Fermilab’daki Laboratuvar Yönetimli Araştırma ve Geliştirme programıyla işbirliği içinde tasarlanan ve başlatılan bir proje için önemli bir başarıdır. NOIRLab dedektör grubu. LDRD, DOE’nin sponsorluğunda ulusal laboratuvarların yeni fikir veya kavramları araştıran araştırma ve geliştirme projelerine dahili olarak finansman sağlamasına olanak tanıyan ulusal bir programdır.
Tarihsel Bağlam ve Teknolojik Evrim
CCD’ler 1969’da Amerika Birleşik Devletleri’nde icat edildi ve kırk yıl sonra bilim insanları başarıları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Cihazlar, gelen fotonları elektronlara dönüştüren iki boyutlu ışık duyarlı piksel dizileridir. Geleneksel CCD’ler, dijital kameralarda ilk kullanılan görüntü sensörleridir ve astronomi gibi birçok bilimsel görüntüleme uygulaması için standart olmaya devam etmektedir, ancak hassasiyetleri elektronik gürültüyle sınırlıdır.
Kozmologlar, yıldızların ve galaksilerin dağılımlarını inceleyerek karanlık madde ve karanlık enerjinin gizemli doğalarını anlamaya çalışırlar. Bunu yapmak için, mümkün olduğunca az gürültüyle daha sönük, daha uzak astronomik nesneleri görebilen gelişmiş bir teknolojiye ihtiyaçları vardır.
Skipper CCD’lerle Gürültü Azaltmada Çığır Açan Nokta
Mevcut CCD teknolojisi bu ölçümleri yapabilir ancak uzun zaman alır veya daha az verimlidir. Bu nedenle, astrofizikçiler ya sinyali artırmalı (yani, dünyanın en büyük teleskoplarına daha fazla zaman ayırarak) ya da elektronik gürültüyü azaltmalıdır.
Skipper CCD’ler, elektronik gürültüyü tek tek fotonların ölçülmesine izin verecek seviyelere düşürmek için 1990 yılında tanıtıldı. Bunu, ilginç piksellerin birden fazla ölçümünü alarak ve atlama geri kalanı. Bu strateji, skipper CCD’lerin görüntünün ilgi çekici bölgelerindeki ölçümlerin hassasiyetini artırırken toplam okuma süresini azaltmasını sağlar.
Skipper CCD’lerin İlk Astronomik Uygulaması
2017 yılında bilim insanları, karanlık madde deneyleri için skipper CCD’lerin kullanımına öncülük ettiler. USTA Ve OSCURAAncak son sunum, bu teknolojinin ilk kez gece gökyüzünü gözlemlemek ve astronomik veri toplamak için kullanıldığını gösterdi.
31 Mart ve 9 Nisan’da araştırmacılar, bir galaksi kümesinden, iki uzak kuasardan, parlak emisyon çizgilerine sahip bir galaksiden ve karanlık madde hakimiyetindeki ultra sönük bir galaksiyle potansiyel olarak ilişkili bir yıldızdan astronomik spektrumlar toplamak için SOAR Integral Field Spectrograph’taki skipper CCD’leri kullandılar. Astrofiziksel CCD gözlemleri için bir ilk olarak, elektron altı okuma gürültüsü elde ettiler ve optik dalga boylarında tek tek fotonları saydılar.
Marrufo Villalpando, “İnanılmaz olan şey, bu fotonların milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki nesnelerden dedektörlerimize ulaşması ve her birini ayrı ayrı ölçebilmemizdir” dedi.
Skipper CCD’lerin Etkisi ve Gelecekteki Uygulamaları
Araştırmacılar bu ilk gözlemlerden elde edilen verileri analiz ediyor ve SOAR Teleskobu üzerindeki kaptan-CCD cihazının bir sonraki planlanan çalışması Temmuz 2024’te gerçekleşecek.
“Skipper’ın doğuşundan bu yana onlarca yıl geçti, bu yüzden teknolojinin onlarca yıl sonra tekrar canlandığını görmek beni şaşırttı,” diyor Kaliforniya merkezli bir araştırma enstitüsü olan SRI International’da seçkin bir mühendis ve skipper CCD’nin mucidi Jim Janesick. “Gürültü sonuçları inanılmaz! Çok temiz verileri gördüğümde koltuğumdan düştüm.”
Kaptan CCD’nin mucidi ve Kaliforniya merkezli bir araştırma enstitüsü olan SRI International’da seçkin bir mühendis olan Jim Janesick, “Kaptan doğduğundan bu yana onlarca yıl geçti, bu yüzden teknolojinin yeniden hayata döndüğünü görmek beni şaşırttı” dedi. “Gürültü sonuçları muhteşem! Çok temiz alt-elektron gürültü verilerini gördüğümde koltuğumdan düştüm.”
Skipper CCD Teknolojisindeki Gelişmeler ve Gelecek Beklentileri
Skipper-CCD teknolojisinin astrofizik için ilk başarılı gösterimiyle birlikte bilim insanları bunu geliştirmek için şimdiden çalışmaya başladı. Fermilab ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen yeni nesil skipper CCD’ler, mevcut cihazlardan 16 kat daha hızlı. Bu yeni cihazlar okuma süresini büyük ölçüde azaltacak ve araştırmacılar bunları laboratuvarda test etmeye çoktan başladı.
Yeni nesil kaptan CCD’lerin, spektroskopik deneyler gibi gelecekteki DOE kozmoloji çabalarında kullanılmak üzere tanımlandı. DESİ-II ve Spec-S5, son ABD parçacık fiziği tarafından önerildi planlama süreci. Ek olarak, NASA Güneş benzeri yıldızların etrafındaki Dünya benzeri gezegenleri tespit etmeyi deneyecek olan Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi için Skipper CCD’leri düşünüyor.
Programa 2019 yılında katılan Marrufo Villalpando, “Bu dedektörlerin nereye varacağını görmek için sabırsızlanıyorum” dedi. “İnsanlar onları her yerde harika şeyler için kullanıyor; bunların faydası parçacık fiziğinden kozmolojiye kadar uzanır. Bu çok yönlü ve kullanışlı bir teknoloji.”
Proje, Fermilab, Chicago Üniversitesi, Ulusal Bilim Vakfı’nın NOIRLab’ı, DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Brezilya Ulusal Astrofizik Laboratuvarı’ndaki fizikçiler, gökbilimciler ve mühendisler arasındaki yakın işbirliğinin ürünüydü.