Araştırmacılar gökbilimcilerin erken evreni incelemesine yardımcı oluyor

Şili’nin Atacama Çölü’ndeki yüksek bir platonun üzerinde yer alan, uzun zamandır beklenen bir gözlemevi şekillenmeye başlıyor: evrendeki en eski ışığı, yani Büyük Patlama’dan kalan radyasyonu incelemeye adanmış en büyük yer tabanlı teleskop paketi.

Gökbilimciler, evreni yıkayan ve 14 milyar yıllık kozmosun, yalnızca 380.000 yıl sonra, emekleme döneminde nasıl göründüğünün anlık görüntüsünü sağlayan, kozmik mikrodalga arka planı (CMB) olarak bilinen bu ilksel radyasyonu onlarca yıldır inceliyorlar. şiddetli doğumu. İşte o zaman evren, elektronların ve atom çekirdeklerinin atomlara dönüşmesine ve ışığın ilk kez uzaya serbestçe akmasına izin verecek kadar soğudu.

Toplu olarak Simons Gözlemevi olarak bilinen Şili’deki teleskop grubu, diğer benzer araçlara göre önemli bir avantaj sunuyor: Her ikisi de Ulusal Gözlemevi’ndeki bilim adamları tarafından inşa edilen, son derece hassas yeni nesil mikrodalga dedektörleri ve gelişmiş bir okuma sistemi içeriyor. Standartlar ve Teknoloji (NIST).

Geçiş kenarı sensörlü bolometreler olarak bilinen NIST tasarımlı dedektörler, mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin onda birine kadar soğutulmuş ince malzeme filmlerinden oluşan ısı sensörleridir. NIST bilim insanı Johannes Hubmayr, minyatür termometreler gibi davranan bolometrelerin gökyüzünün yüzde 40’ından fazlasında CMB’deki çok küçük sıcaklık değişimlerini ayırt edebildiğini belirtti.

Erken evrendeki hafif aşırı ve az yoğunluklara karşılık gelen radyasyondaki bu küçük sıcak ve soğuk noktalar, galaksilerin oluştuğu tohumları temsil ediyor. (Bolometreler aynı zamanda Büyük Patlama’dan hemen sonra evren hakkındaki bilgiyi kodlayan CMB’deki farklı kutuplaşma modellerini de (ışımanın elektrik alanındaki kıpırdamalar) kaydeder.)

Sıcaklığı ölçmek için araştırmacılar, soğutulmuş dedektörleri iki durum arasında dengede tutan bolometrelere küçük bir voltaj uyguluyorlar: akımın herhangi bir direnç olmadan serbestçe aktığı süper iletken ve akımın dirençle karşılaştığı süper iletken olmayan durum. Sensörler gelen CMB radyasyonundan enerji emdiğinde, elektrik dirençleri artar ve bu da içlerinden akan akım miktarında bir azalmaya neden olur. Akımdaki düşüş, gökyüzündeki belirli bir noktada CMB’nin sıcaklığının bir ölçümünü sağlar.

Ancak Simons Gözlemevi’ndeki 67.080 ultra soğuk bolometreden gelen sinyallerin eş zamanlı olarak işlenmesi bir zorluk teşkil ediyor. Bolometreleri dar çalışma aralıklarının ötesinde bir sıcaklığa ısıtmadan her bir dedektörden gelen kabloyu oda sıcaklığı okuma cihazına bağlamak neredeyse imkansızdır.

John Mates’in de aralarında bulunduğu NIST araştırmacıları, binlerce bolometreden gelen sinyallerin tek bir kablo üzerinde birleştirilmesini sağlayan bir yöntemin öncülüğünü yaptı. SQUID olarak bilinen cihazlara dayanan teknik, her bir bolometre tarafından ölçülen akımdaki değişimi küçük bir rezonatörün frekansındaki bir değişime dönüştürüyor. NIST ekibi, binlerce ayrı bolometrenin neden olduğu benzersiz frekans değişimlerini tek bir kablo üzerinde birleştirerek oda sıcaklığındaki bağlantıların sayısını ve ısı transferi potansiyelini önemli ölçüde azalttı.

Gözlemevi için NIST araştırmacıları tek bir silikon levha üzerinde 2.000’den fazla küçük rezonatör ve SQUID üretti. Ekip, iki yıllık bir süre boyunca, geçiş kenarı sensörü bolometrelerini okumak için kullanılacak olan bu plakalardan 50’den fazlasını üretti. Araştırmacılar daha önce hiç bu kadar büyük miktarda yüksek kaliteli süper iletken devre sunmamıştı.

En son çalışmalarında bilim insanları, tüm levhanın işlevini doğrulamak için her bir levha üzerinde bulunan 32 çipten yalnızca dördünü elektronik olarak test etmenin yeterli olduğunu gösterdi.

Hubmayr, Mates, Dante Jones ve NIST meslektaşları çalışmaları hakkında bir rapor sundular. Termal Fizik Dergisi.

Bu hikaye NIST’in izniyle yeniden yayınlanmaktadır. Orijinal hikayeyi okuyun Burada.