Koristeći instrument na 4,1-metarskom južnom astrofizičkom istraživačkom teleskopu, istraživači su dobili prvi astronomski spektar koristeći uređaje sa skiperskim punjenjem (CCD).
Rezultate je 16. juna na sastanku Društva inženjera foto-optičke instrumentacije astronomski teleskopi + instrumentacija u Japanu predstavio Edgar Marrufo Villalpando, doktor fizike. kandidat na Univerzitetu u Čikagu i stipendista Fermilab DOE za diplomska istraživanja instrumentacije.
„Ovo je velika prekretnica za skiper-CCD tehnologiju“, rekao je Aleks Drlica-Vagner, kosmolog iz Fermi nacionalne akceleratorske laboratorije Ministarstva energetike SAD, koji je vodio projekat. „Pomaže da se povuku uočeni rizici za korišćenje ove tehnologije u budućnosti, što je od vitalnog značaja za buduće kosmološke projekte DOE.“
Ovo je važno dostignuće za projekat koji je zamišljen i pokrenut kroz Laboratorijski usmeren program istraživanja i razvoja u Fermilab-u u saradnji sa NSF-ovom NOIRLab detektorskom grupom. LDRD je nacionalni program sponzorisan od strane DOE koji omogućava nacionalnim laboratorijama da interno finansiraju istraživačke i razvojne projekte koji istražuju nove ideje ili koncepte.
CCD-ovi su izmišljeni u Sjedinjenim Državama 1969. godine, a četrdeset godina kasnije naučnici su za svoja dostignuća dobili Nobelovu nagradu za fiziku. Uređaji su dvodimenzionalni nizovi piksela osetljivih na svetlost koji ulaze fotone pretvaraju u elektrone. Konvencionalni CCD-ovi su senzori slike koji se prvi put koriste u digitalnim kamerama, i oni ostaju standard za mnoge naučne aplikacije za snimanje slika, kao što je astronomija, iako je njihova preciznost ograničena elektronskim šumom.
Kosmolozi nastoje da shvate misterioznu prirodu tamne materije i tamne energije proučavajući distribuciju zvezda i galaksija. Da bi to uradili, potrebna im je napredna tehnologija koja može da vidi slabije, udaljenije astronomske objekte sa što manje buke.
Postojeća CCD tehnologija može da izvrši ova merenja, ali traje dugo ili je manje efikasna. Dakle, astrofizičari moraju ili da povećaju signal – tj. ulažući više vremena u najveće svetske teleskope – ili da smanje elektronski šum.
Skipper CCD-ovi su predstavljeni 1990. godine da bi se elektronski šum smanjio na nivoe koji omogućavaju merenje pojedinačnih fotona. Oni to rade tako što uzimaju višestruka merenja zanimljivih piksela i preskaču ostale. Ova strategija omogućava skiper CCD-ovima da povećaju preciznost merenja u interesantnim delovima slike uz smanjenje ukupnog vremena očitavanja.
U 2017, naučnici su bili pioniri u korišćenju skiper CCD-a za eksperimente sa tamnom materijom kao što su SENSEI i OSCURA, ali je nova prezentacija pokazala da je tehnologija prvi put korišćena za posmatranje noćnog neba i prikupljanje astronomskih podataka.
31. marta i 9. aprila, istraživači su koristili skiper CCD-ove u SOAR Integral Field Spectrographu da sakupe astronomske spektre iz jata galaksija, dva udaljena kvazara, galaksije sa svetlim emisionim linijama i zvezde koja je potencijalno povezana sa tamnom materijom. – dominira ultra-bleda galaksija. U prvom za astrofizička CCD posmatranja, postigli su šum očitavanja subelektrona i brojali pojedinačne fotone na optičkim talasnim dužinama.
„Ono što je neverovatno je da su ovi fotoni putovali do naših detektora od objekata udaljenih milijardama svetlosnih godina, a mi bismo mogli da merimo svaki pojedinačno“, rekao je Marufo Viljalpando.
Istraživači analiziraju podatke iz ovih prvih opservacija, a sledeće planirano pokretanje za skiper-CCD instrument na SOAR teleskopu je u julu 2024.
„Prošlo je mnogo decenija otkako je skiper rođen, tako da sam bio iznenađen kada sam video da je tehnologija ponovo oživela mnogo decenija kasnije“, rekao je Jim Janesick, pronalazač skiper CCD i istaknuti inženjer u SRI International, istraživačkom institutu sa sedištem u California. „Rezultati buke su neverovatni. Pao sam sa sedišta kada sam video veoma čiste podatke.“
Sa prvom uspešnom demonstracijom skiper-CCD tehnologije za astrofiziku, naučnici već rade na njenom poboljšanju. Sledeća generacija skiper CCD-a, koju su razvili Fermilab i Nacionalna laboratorija Lorens Berkli, je 16 puta brža od trenutnih uređaja. Ovi novi uređaji će znatno smanjiti vreme očitavanja, a istraživači su već počeli da ih testiraju u laboratoriji.
Sledeća generacija skiper CCD-a je identifikovana za upotrebu u budućim kosmološkim naporima DOE, kao što su spektroskopski eksperimenti DESI-II i Spec-S5, preporučeni nedavnim procesom planiranja fizike čestica u SAD. Pored toga, NASA razmatra skiper CCD-ove za predstojeću Opservatoriju za useljive svetove koja će pokušati da otkrije planete slične zemlji oko zvezda sličnih suncu.
„Radujem se što ću videti gde bi ovi detektori mogli da završe“, rekao je Marufo Viljalpando, koji se pridružio programu 2019. „Ljudi ih koriste za neverovatne stvari svuda; njihova korisnost se kreće od fizike čestica do kosmologije. To je veoma raznovrsna i korisna tehnologija“.
Projekat je bio bliska saradnja između fizičara, astronoma i inženjera iz Fermilaba, Učikago, NOIRLab-a Nacionalne naučne fondacije, Nacionalne laboratorije Lorensa Berklija iz DOE i Nacionalne astrofizičke laboratorije Brazila.
