Adaptado de A lanzamiento Por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi.
Utilizando un instrumento en el telescopio de 4,1 metros de Southern Astrophysical Research (SOAR), los investigadores obtuvieron el primer espectro astronómico utilizando dispositivos de carga acoplada (CCD). Los CCD Skipper pueden alcanzar niveles de ruido muy bajos, lo que ayuda a los astrónomos a ver galaxias distantes.
«Anteriormente hemos desarrollado CCD centrales para detectar materia oscura, y esta es la primera transferencia exitosa de esta tecnología para obtener imágenes de objetos astronómicos débiles», dijo Steve Holland, ingeniero senior de la División de Física del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. Los cuatro CCD de grado científico implementados en SOAR fueron diseñados y procesados en Berkeley Lab, aprovechando la amplia experiencia del laboratorio en tecnología CCD. Esto incluye el desarrollo de “CCD sensibles al rojo” para la cámara de energía oscura, el instrumento de espectroscopia de energía oscura y diseños líderes de dispositivos CCD utilizados en experimentos de materia oscura.
El 31 de marzo y el 9 de abril, los investigadores utilizaron los CCD principales para recolectar espectros astronómicos de un cúmulo de galaxias, dos quásares distantes, una galaxia con líneas de emisión brillantes y una estrella probablemente asociada con una galaxia muy débil dominada por materia oscura. Por primera vez en observaciones astrofísicas CCD, pudieron investigar el ruido de lectura de subelectrones y contar fotones individuales en longitudes de onda ópticas. Los resultados fueron presentados el 17 de junio en la Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Óptica (SPIE) para Telescopios Astronómicos+Instrumentación. entrevista en Japón.
«Este es un hito importante para la tecnología Skipper-CCD», dijo Alex Drlica-Wagner, cosmólogo del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía y profesor asociado de la Universidad de Chicago que dirigió el proyecto. «Ayuda a eliminar los riesgos percibidos del uso de esta tecnología en el futuro, lo cual es muy importante para el DOE en el futuro». Cosmología Proyectos.”
Este es un logro significativo para un proyecto diseñado y lanzado a través del programa de I+D orientado al laboratorio de Fermilab en colaboración con el conjunto de detectores NOIRLab de NFS. LDRD es un programa nacional patrocinado por el Departamento de Energía que permite a los laboratorios nacionales financiar internamente proyectos de investigación y desarrollo que exploran nuevas ideas o conceptos.
Los CCD se inventaron en Estados Unidos en 1969 y cuarenta años más tarde los científicos recibieron el Premio Nobel de Física por su logro. Los dispositivos son conjuntos bidimensionales de píxeles sensibles a la luz que convierten los fotones entrantes en electrones. Los CCD convencionales son los sensores de imagen que se utilizaron por primera vez en las cámaras digitales y siguen siendo el estándar para muchas aplicaciones de imágenes científicas, como la astronomía, aunque su resolución está limitada por el ruido electrónico.
Los cosmólogos buscan comprender la misteriosa naturaleza de los seres extraterrestres. Materia oscura Y Energía oscura Estudiando las distribuciones de estrellas y galaxias. Para ello, necesitan tecnología avanzada que pueda ver objetos astronómicos más débiles y distantes con el menor ruido posible.
La tecnología CCD actual puede realizar estas mediciones, pero requiere mucho tiempo o es menos eficiente. Por lo tanto, los astrofísicos deben aumentar la señal (es decir, invirtiendo más tiempo en los telescopios más grandes del mundo) o reducir el ruido electrónico.
Steve Holland del Berkeley Lab diseñó los CCD utilizados en SOAR para observaciones astronómicas. Después de que los CCD se fabricaron en el Laboratorio Teledyne DALSA en Canadá, se procesaron en el Laboratorio de Microsistemas de Berkeley. Los CCD estaban «retroiluminados», lo que los hacía muy sensibles a la luz. (Derechos de autor: Steve Holland/Berkeley Lab)
Los CCD Skipper se introdujeron en 1990 para reducir el ruido electrónico a niveles que permitieran medir fotones individuales. Lo hacen tomando múltiples medidas de píxeles de interés. Saltar El resto. Esta estrategia permite que los CCD principales aumenten la precisión de las mediciones en áreas de interés de la imagen y al mismo tiempo reduzcan el tiempo total de lectura.
En 2017, los científicos fueron pioneros en el uso de CCD centrales en experimentos de materia oscura como… sensei Y oscuroPero la presentación de hoy mostró la primera vez que se utiliza la tecnología para observar el cielo nocturno y recopilar datos astronómicos.
“Lo sorprendente es que estos fotones viajaron hasta nuestros detectores desde objetos a miles de millones de años luz de distancia, y podemos medir cada uno de ellos individualmente”, dijo Edgar Marrufo Villalpando, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Chicago y destacado investigador en instrumentación. en Fermilab DOE. Premio al becario que presentó los resultados.
Los investigadores están analizando los datos de estas primeras observaciones, que utilizaron el espectrómetro SOAR Integrated Field Unit (SIFS), instrumento creado por el Laboratorio Nacional de Astrofísica. La próxima operación programada del instrumento Raban CCD en el telescopio SOAR será en julio de 2024.
dijo Jim Janicek, inventor del patrón CCD e ingeniero distinguido de SRI International, un instituto de investigación con sede en California. “¡Los resultados del ruido son asombrosos! Me caí de la silla cuando vi los datos de ruido subelectrónico muy limpios.
Con la primera demostración exitosa de la tecnología Skipper-CCD en astrofísica, los científicos ya están trabajando para mejorarla. Los CCD de próxima generación del capitán, desarrollados por Berkeley Lab y Fermilab, son 16 veces más rápidos que los instrumentos actuales. Se han probado con éxito prototipos de CCD más rápidos llamados sensores multiamplificados (MAS) como parte del LDRD dirigido por Julian Guy, físico del Laboratorio de Berkeley.
«Jim Janicek fue de gran ayuda durante los primeros días de nuestro desarrollo de CCD en el Laboratorio de Berkeley, y es emocionante ver cómo la invención de Jim del CCD capitán ‘resucitó’ y se combinó con CCD sensibles al rojo completamente agotados», dijo Holland. Los esfuerzos de CCD en Berkeley Lab comenzaron oficialmente como LDRD en 1995 y fueron dirigidos por Saul Perlmutter, quien más tarde ganó el Premio Nobel de Física.
La próxima generación de CCD planetarios está programada para su uso en futuros esfuerzos cosmológicos del DOE, como los experimentos espectroscópicos DESI-II y Spec-S5 recomendados por Modern American Particle Physics. Proceso de planificación. Además, la NASA está considerando utilizar los CCD principales para el Observatorio de Mundos Habitables que intentará descubrir planetas similares a la Tierra que orbitan alrededor de estrellas similares al Sol.
“Tengo muchas ganas de ver dónde pueden terminar estos reactivos”, dijo Marrufo Villalpando, quien se unió al programa en 2019. «La gente la utiliza para cosas asombrosas en todas partes; su utilidad abarca desde la física de partículas hasta la cosmología. Es una tecnología muy versátil y útil».
El proyecto fue una estrecha colaboración entre físicos, astrónomos e ingenieros del Laboratorio Berkeley, el Fermilab, Ouchicago, el NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias y el Laboratorio Nacional de Astrofísica de Brasil.
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Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab se compromete a brindar soluciones para la humanidad a través de la investigación en energía limpia, un planeta saludable y descubrimientos científicos. Fundado en 1931 con la creencia de que los grandes problemas se resuelven mejor en equipo, Berkeley Lab y sus científicos han sido honrados con 16 premios Nobel. Investigadores de todo el mundo confían en las instalaciones científicas de primer nivel del laboratorio para llevar a cabo sus investigaciones pioneras. Berkeley Lab es un laboratorio nacional de programas múltiples operado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite el sitio web. power.gov/ciencia.