Возрождена технология, используемая для подсчёта отдельных фотонов из далёких галактик

Учёные получили первый астрономический спектр с помощью технологии ПЗС-матриц Skipper-CCD

Используя инструмент на 4,1-метровом Южном астрофизическом исследовательском телескопе, исследователи получили первый астрономический спектр с помощью устройств с зарядовой связью (CCDs). Они состоят из светочувствительных фотодиодов, выполненных на основе кремния, и применяются для регистрации и считывания заряда с каждого пикселя. Такие матрицы используются в астрономических наблюдениях для сбора астрономических спектров скопления галактик, квазаров, галактик с яркими эмиссионными линиями и звёзд. Они позволяют достичь субэлектронного шума считывания и подсчитать отдельные фотоны на оптических длинах волн. Это высокоточные приборы, которые играют важную роль в астрономических исследованиях и наблюдениях.

Результаты были представлены 16 июня на встрече Общества инженеров фотооптических приборов «Астрономические телескопы + приборостроение» в Японии.

Это важное достижение для проекта, задуманного и начатого в рамках программы лабораторных исследований и разработок в Фермилабе в сотрудничестве с группой детекторов NOIRLab NSF. LDRD — это национальная программа, спонсируемая Министерством энергетики, которая позволяет национальным лабораториям финансировать проекты исследований и разработок, изучающие новые идеи и концепции.

Космологи стремятся понять загадочную природу тёмной материи и тёмной энергии, изучая распределение звёзд и галактик. Для этого им нужны передовые технологии, которые смогут «разглядеть» более тусклые и удалённые астрономические объекты с как можно меньшим шумом.

Существующая технология ПЗС позволяла проводить такие измерения, но это занимало много времени или было менее эффективно. Астрофизики должны были либо увеличить сигнал (то есть, потратив больше времени на наблюдения на крупнейших в мире телескопах), либо уменьшить электронный шум. ПЗС-матрицы Skipper были представлены в 1990 году для снижения электронного шума до уровней, позволяющих измерять отдельные фотоны. Они делают это, выполняя несколько измерений целевых пикселей и пропуская остальные. Эта стратегия позволяла повысить точность измерений в интереснующих областях изображения, одновременно сокращая общее время считывания.

В 2017 году учёные впервые применили ПЗС-матрицы для экспериментов с регистрацией тёмной материеи, таких как SENSEI и OSCURA. 31 марта и 9 апреля исследователи использовали ПЗС-матрицы в спектрографе SOAR Integral Field Spectrograph для сбора астрономических спектров скопления галактик, двух квазаров, галактики с яркими эмиссионными линиями и звезды, которая потенциально связана с тёмной материей. Впервые в астрофизических удалось достичь субэлектронного шума считывания и подсчитать отдельные фотоны на оптических длинах волн.

«Невероятно то, что эти фотоны попали к нашим детекторам от объектов, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет, и мы могли измерить каждый из них по отдельности», — сказал участник наблюдений Марруфо Вильяльпандо.

Исследователи анализируют данные этих первых наблюдений, а следующий запуск прибора Skiper-CCD на телескопе SOAR запланирован уже на июль 2024 года. «Я был удивлён, увидев, что эта технология снова ожила много десятилетий спустя. Результаты просто потрясающие. Я увидел очень чистые данные», — сказал Джим Джейнсик, изобретатель CCD и выдающийся инженер SRI International, исследовательского института, базирующегося в Калифорнии.

После первой успешной демонстрации технологии Skipper CCD в астрофизике учёные уже работают над её усовершенствованием. Следующее поколение Skipper CCD-матриц, разработанное в Фермилаб и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, работает в 16 раз быстрее, чем нынешние устройства. Эти новые устройства значительно сократят время считывания, исследователи уже начали их тестирование в лаборатории.

Следующее поколение ПЗС-матриц было выбрано для использования в будущих проектах Министерства энергетики США по космологии, таких как спектроскопические эксперименты DESI-II и Spec-S5. Кроме того, NASA рассматривает возможность использования ПЗС-матриц для будущей обсерватории Habitable Worlds Observatory, которая будет помогать обнаруживать экзопланеты вокруг солнцеподобных звёзд.

«Я с нетерпением жду возможности увидеть, где могут оказаться эти детекторы. Люди повсюду используют их для удивительных вещей. Их полезность варьируется от физики элементарных частиц до космологии. Универсальная и полезная технология», — сказал Марруфо Вильяльпандо, присоединившийся к программе в 2019 году.