Wiederbelebte Technologie zur Zählung einzelner Photonen entfernter Galaxien

Mit einem 4,1-Meter-Instrument des Southern Astrophysical Research Telescope erhielten Forscher das erste astronomische Spektrum mithilfe von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs) mit Skipper-Funktion.

Die Ergebnisse wurden am 16. Juni auf dem Treffen der Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Astronomical Telescopes + Instrumentation in Japan von Edgar Marrufo Villalpando, Ph.D., vorgestellt. Kandidat an der University of Chicago und Stipendiat des Fermilab DOE Graduate Instrumentation Research Award.

„Dies ist ein wichtiger Meilenstein für die Skipper-CCD-Technologie“, sagte Alex Drlica-Wagner, Kosmologe am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, der das Projekt leitete. „Dies trägt dazu bei, die wahrgenommenen Risiken einer zukünftigen Nutzung dieser Technologie zu beseitigen, was für zukünftige DOE-Kosmologieprojekte von entscheidender Bedeutung ist.“

Dies ist ein bedeutender Erfolg für ein Projekt, das im Rahmen des laborgeführten Forschungs- und Entwicklungsprogramms von Fermilab in Zusammenarbeit mit der NOIRLab-Detektorgruppe der NSF konzipiert und initiiert wurde. LDRD ist ein vom DOE gesponsertes nationales Programm, das es nationalen Laboren ermöglicht, Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur Erforschung neuer Ideen oder Konzepte intern zu finanzieren.

CCDs wurden 1969 in den USA erfunden und vierzig Jahre später erhielten Wissenschaftler für ihre Leistungen den Nobelpreis für Physik. Bei den Geräten handelt es sich um zweidimensionale Anordnungen lichtempfindlicher Pixel, die einfallende Photonen in Elektronen umwandeln. Herkömmliche CCDs waren die ersten Bildsensoren, die in Digitalkameras verwendet wurden, und sind nach wie vor der Standard für viele wissenschaftliche Bildgebungsanwendungen, beispielsweise in der Astronomie, obwohl ihre Genauigkeit durch elektronisches Rauschen begrenzt ist.

Kosmologen versuchen, die mysteriöse Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie zu verstehen, indem sie die Verteilung von Sternen und Galaxien untersuchen. Dazu benötigen sie fortschrittliche Technologie, die schwächere, weiter entfernte astronomische Objekte mit möglichst geringem Rauschen erkennen kann.

Die vorhandene CCD-Technologie kann diese Messungen durchführen, ist jedoch zeitaufwändig oder weniger effizient. Astrophysiker müssen daher entweder das Signal verstärken, also mehr Zeit in die größten Teleskope der Welt investieren, oder das elektronische Rauschen reduzieren.

Skipper-CCDs wurden 1990 eingeführt, um elektronisches Rauschen auf ein Niveau zu reduzieren, das die Messung einzelner Photonen ermöglicht. Dazu nehmen sie mehrere Messungen interessanter Pixel vor und ignorieren den Rest. Mit dieser Strategie können Skipper-CCDs die Präzision von Messungen in interessanten Bildbereichen erhöhen und gleichzeitig die Gesamtlesezeit verkürzen.

Im Jahr 2017 waren Wissenschaftler die ersten, die Skipper-CCDs für Experimente mit dunkler Materie wie SENSEI und OSCURA verwendeten. Die neue Präsentation zeigte jedoch, dass die Technologie erstmals zur Beobachtung des Nachthimmels und zur Erfassung astronomischer Daten eingesetzt wurde.

Am 31. März und 9. April verwendeten Forscher Skipper-CCDs im Integralfeldspektrographen SOAR, um astronomische Spektren eines Galaxienhaufens, zweier entfernter Quasare, einer Galaxie mit hellen Emissionslinien und eines Sterns zu sammeln, der möglicherweise mit dunkler Materie in Zusammenhang steht. -ultraschwache Galaxie dominiert. Als erstes CCD-Beobachtungsobjekt für astrophysikalische Beobachtungen ermittelten sie subelektronisches Ausleserauschen und zählten einzelne Photonen bei optischen Wellenlängen.

„Das Unglaubliche ist, dass diese Photonen von Milliarden Lichtjahre entfernten Objekten zu unseren Detektoren gelangten und wir jedes einzelne einzeln messen konnten“, sagte Marrufo Villalpando.

Forscher analysieren die Daten dieser ersten Beobachtungen. Der nächste geplante Einsatz des Skipper-CCD-Instruments des SOAR-Teleskops ist für Juli 2024 geplant.

„Seit der Geburt des Skippers sind viele Jahrzehnte vergangen, daher war ich überrascht, dass die Technologie einige Jahrzehnte später wieder zum Leben erweckt wurde“, sagte Jim Janesick, Erfinder des CCD-Skippers und angesehener Ingenieur bei SRI International, einem Forschungsinstitut mit Sitz in Kalifornien. „Die Rauschergebnisse sind unglaublich. Ich bin vom Sitz gefallen, als ich die gestochen scharfen Daten gesehen habe.“

Mit der ersten erfolgreichen Demonstration der Skipper-CCD-Technologie für die Astrophysik arbeiten Wissenschaftler bereits daran, sie zu verbessern. Die nächste Generation von Skipper-CCDs, entwickelt von Fermilab und Lawrence Berkeley National Laboratory, ist 16-mal schneller als aktuelle Geräte. Diese neuen Geräte werden die Lesezeit erheblich verkürzen und Forscher haben bereits damit begonnen, sie im Labor zu testen.

Die nächste Generation von Skipper-CCDs wurde für den Einsatz in zukünftigen kosmologischen Bemühungen des DOE identifiziert, wie etwa den spektroskopischen Experimenten DESI-II und Spec-S5, die im jüngsten US-amerikanischen Particle Physics Planning Process empfohlen werden. Darüber hinaus plant die NASA, Skipper-CCDs für das kommende Habitable Worlds Observatory einzusetzen, das versuchen wird, erdähnliche Planeten um sonnenähnliche Sterne zu entdecken.

„Ich kann es kaum erwarten zu sehen, wo diese Detektoren landen werden“, sagte Marrufo Villalpando, der dem Programm 2019 beigetreten ist. „Die Leute nutzen sie überall für erstaunliche Dinge; Ihr Nutzen reicht von der Teilchenphysik bis zur Kosmologie. vielseitige und nützliche Technologie.

Das Projekt war eine enge Zusammenarbeit zwischen Physikern, Astronomen und Ingenieuren von Fermilab, UChicago, dem NOIRLab der National Science Foundation, dem Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE und dem DOE National Astrophysics Laboratory.