טלסקופ המחקר האסטרופיזי הדרומי (SOAR) ב-Cerro Pachon בצ'ילה. קרדיט: NOIRLab
חוקרים השתמשו לאחרונה במכשירי מטען מצמדים (CCDs) על טלסקופ המחקר האסטרופיזי הדרומי באורך 4.1 מטר כדי ללכוד את הספקטרום האסטרונומי הראשון באמצעות טכנולוגיה זו.
ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית סקיפר CCD אפשרה תצפיות אסטרונומיות מדויקות וחסרות רעש, וסללה את הדרך לפריצות דרך מדעיות עתידיות בקוסמולוגיה ומעבר לה.
באמצעות מכשיר על טלסקופ המחקר האסטרופיזי הדרומי (SOAR) באורך 4.1 מטר, החוקרים השיגו את הספקטרום האסטרונומי הראשון באמצעות התקנים מצמדי מטען (CCD).
התוצאות הוצגו ב-16 ביוני במפגש של האגודה של מהנדסי מכשור פוטו-אופטי טלסקופים אסטרונומיים + מכשור ביפן על ידי אדגר מרופו וילפנדו, מועמד לדוקטורט בפיזיקה אוניברסיטת שיקגו ועמית פרס מחקר מכשור בוגר Fermilab DOE.
אבן דרך טכנולוגית באסטרונומיה
"זוהי אבן דרך חשובה עבור טכנולוגיית הסקיפר-CCD", אמר אלכס דרליקה-וגנר, קוסמולוגית במעבדת ה-Fermi National Accelerator של משרד האנרגיה האמריקני שהוביל את הפרויקט. "זה עוזר לפרוש את הסיכונים הנתפסים בשימוש בטכנולוגיה הזו בעתיד, שהיא חשובה ביותר עבור פרויקטים קוסמולוגיים עתידיים של DOE."
זהו הישג חשוב לפרויקט שהוקם ויוזם באמצעות תוכנית המחקר והפיתוח מכוון מעבדה ב-Fermilab בשיתוף עם NSF's NOIRLab קבוצת גלאים. LDRD היא תוכנית לאומית בחסות ה-DOE המאפשרת למעבדות לאומיות לממן באופן פנימי פרויקטים של מחקר ופיתוח החוקרים רעיונות או מושגים חדשים.
הקשר היסטורי ואבולוציה טכנולוגית
CCDs הומצאו בארצות הברית בשנת 1969, וארבעים שנה לאחר מכן הוענק למדענים פרס נובל לפיזיקה על הישגם. המכשירים הם מערכים דו מימדיים של פיקסלים רגישים לאור הממירים פוטונים נכנסים לאלקטרונים. CCDs קונבנציונליים הם חיישני התמונה המשמשים לראשונה במצלמות דיגיטליות, והם נותרו הסטנדרט עבור יישומי הדמיה מדעיים רבים, כגון אסטרונומיה, אם כי הדיוק שלהם מוגבל על ידי רעש אלקטרוני.
קוסמולוגים מבקשים להבין את הטבע המסתורי של החומר האפל והאנרגיה האפלה על ידי חקר התפלגות הכוכבים והגלקסיות. לשם כך הם זקוקים לטכנולוגיה מתקדמת שיכולה לראות עצמים אסטרונומיים חלשים יותר ומרוחקים יותר עם כמה שפחות רעש.
פריצת דרך בהפחתת רעש עם CCDs Skipper
טכנולוגיית CCD קיימת יכולה לבצע מדידות אלו אך לוקחות זמן רב או שהן פחות יעילות. אז, אסטרופיזיקאים חייבים להגדיל את האות – כלומר, על ידי השקעת זמן רב יותר בטלסקופים הגדולים בעולם – או להפחית את הרעש האלקטרוני.
סקיפר CCDs הוצגו בשנת 1990 כדי להפחית רעש אלקטרוני לרמות המאפשרות מדידה של פוטונים בודדים. הם עושים זאת על ידי לקיחת מדידות מרובות של פיקסלים מעניינים ו דילוג השאר. אסטרטגיה זו מאפשרת ל-CCD של סקיפר להגביר את דיוק המדידות באזורים מעניינים בתמונה תוך הפחתת זמן הקריאה הכולל.
יישום אסטרונומי ראשון של סקיפר CCDs
בשנת 2017, מדענים היו חלוצים בשימוש ב-CCD של סקיפר לניסויים בחומר אפל כמו SENSEI ו-OSCURA, אך המצגת האחרונה הראתה את הפעם הראשונה שבה נעשה שימוש בטכנולוגיה כדי לצפות בשמי הלילה ולאסוף נתונים אסטרונומיים.
ב-31 במרץ וב-9 באפריל, החוקרים השתמשו ב-CCD של סקיפר בספקטרוגרף השדה האינטגרלי של SOAR כדי לאסוף ספקטרום אסטרונומי מצביר גלקסיות, שני קוואזרים רחוקים, גלקסיה עם קווי פליטה בהירים וכוכב שעלול להיות קשור לחומר אפל. -גלקסיה חלשה במיוחד. בהתחלה של תצפיות CCD אסטרופיזיקליות, הם השיגו רעש קריאת תת-אלקטרונים וספרו פוטונים בודדים באורכי גל אופטיים.
"מה שמדהים הוא שהפוטונים האלה נסעו אל הגלאים שלנו מעצמים במרחק של מיליארדי שנות אור, ויכולנו למדוד כל אחד בנפרד", אמר מרופו וילפנדו.
השפעה ויישומים עתידיים של סקיפר CCDs
חוקרים מנתחים נתונים מהתצפיות הראשונות הללו, והריצה המתוכננת הבאה עבור מכשיר הסקיפר-CCD בטלסקופ SOAR היא ביולי 2024.
"חלפו עשורים רבים מאז שהסקיפר נולד, אז הופתעתי לראות את הטכנולוגיה מתעוררת שוב לחיים עשורים רבים לאחר מכן", אמר ג'ים ג'ינסיק, ממציא הסקיפר CCD ומהנדס מכובד ב-SRI International, מכון מחקר שבסיסו ב- קליפורניה. "תוצאות הרעש מדהימות! נפלתי מהכיסא כשראיתי את הנתונים המאוד נקיים".
"חלפו עשורים רבים מאז שהסקיפר נולד, אז הופתעתי לראות את הטכנולוגיה מתעוררת שוב לחיים", אמר ג'ים ג'ינסיק, ממציא הסקיפר CCD ומהנדס מכובד ב-SRI International, מכון מחקר שבסיסו בקליפורניה. "תוצאות הרעש מדהימות! נפלתי מהכיסא כשראיתי את נתוני רעשי תת-אלקטרונים נקיים מאוד".
התקדמות וסיכויים עתידיים עבור טכנולוגיית Skipper CCD
עם ההדגמה המוצלחת הראשונה של טכנולוגיית סקיפר-CCD לאסטרופיזיקה, מדענים כבר פועלים לשיפורה. הדור הבא של CCD סקיפרים, שפותח על ידי המעבדה הלאומית של Fermilab ולורנס ברקלי, מהיר פי 16 מהמכשירים הנוכחיים. המכשירים החדשים הללו יקצרו מאוד את זמן הקריאה, וחוקרים כבר החלו לבדוק אותם במעבדה.
הדור הבא של CCD סקיפר זוהה לשימוש במאמצי קוסמולוגיה עתידיים של DOE, כגון ניסויים ספקטרוסקופיים DESI-II ו-Spec-S5, המומלצים על ידי תהליך התכנון האחרון של פיזיקת החלקיקים בארה"ב. בנוסף, נאס"א שוקל מכשירי CCD של סקיפרים עבור מצפה הכוכבים של Habitable Worlds שינסה לזהות כוכבי לכת דמויי כדור הארץ סביב כוכבים דמויי שמש.
"אני מצפה לראות לאן הגלאים האלה עלולים להגיע", אמר Marrufo Villalpando, שהצטרף לתוכנית ב-2019. "אנשים משתמשים בהם לדברים מדהימים בכל מקום; התועלת שלהם נעה בין פיזיקת חלקיקים לקוסמולוגיה. זו טכנולוגיה מאוד תכליתית ושימושית".
הפרויקט היה שיתוף פעולה הדוק בין פיזיקאים, אסטרונומים ומהנדסים ב-Fermilab, אוניברסיטת שיקגו, ב-NOIRLab של הקרן הלאומית למדע, במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי של DOE והמעבדה הלאומית לאסטרופיזיקלית של ברזיל.
