O Telescópio de Pesquisa Astrofísica do Sul (SOAR) em Cerro Pachon no Chile. Crédito: NOIRLab
Pesquisadores utilizaram recentemente dispositivos de carga acoplada (CCDs) skipper no Telescópio de Pesquisa Astrofísica do Sul de 4,1 metros para capturar o primeiro espectro astronômico usando essa tecnologia.
Avanços recentes na tecnologia CCD skipper permitiram observações astronômicas precisas e de baixo ruído, abrindo caminho para futuras descobertas científicas em cosmologia e além.
Usando um instrumento no Telescópio Southern Astrophysical Research (SOAR) de 4,1 metros, os pesquisadores obtiveram o primeiro espectro astronômico usando dispositivos skipper de carga acoplada (CCDs).
Os resultados foram apresentados em 16 de junho na reunião da Sociedade de Engenheiros de Instrumentação Foto-Óptica sobre Telescópios Astronômicos + Instrumentação, no Japão, por Edgar Marrufo Villalpando, um candidato a doutorado em física na Universidade de Chicago e bolsista do Fermilab DOE Graduate Instrumentation Research Award.
Marco Tecnológico em Astronomia
“Este é um marco importante para a tecnologia CCD-capitão”, disse Alex Drlica-Wagner, cosmólogo do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA que liderou o projeto. “Isso ajuda a eliminar os riscos percebidos no uso desta tecnologia no futuro, o que é de vital importância para futuros projetos de cosmologia do DOE.”
Esta é uma conquista importante para um projeto concebido e iniciado através do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do Fermilab em colaboração com a NSF. NOIRLab grupo detector. LDRD é um programa nacional patrocinado pelo DOE que permite que laboratórios nacionais financiem internamente projetos de pesquisa e desenvolvimento que explorem novas ideias ou conceitos.
Contexto Histórico e Evolução Tecnológica
Os CCDs foram inventados nos Estados Unidos em 1969, e quarenta anos depois cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física por sua conquista. Os dispositivos são matrizes bidimensionais de pixels sensíveis à luz que convertem fótons recebidos em elétrons. Os CCDs convencionais são os sensores de imagem usados pela primeira vez em câmeras digitais, e eles continuam sendo o padrão para muitas aplicações de imagens científicas, como astronomia, embora sua precisão seja limitada pelo ruído eletrônico.
Os cosmólogos procuram compreender a natureza misteriosa da matéria escura e da energia escura estudando as distribuições de estrelas e galáxias. Para fazer isso, eles precisam de tecnologia avançada que possa ver objetos astronômicos mais tênues e distantes com o mínimo de ruído possível.
Avanço na redução de ruído com CCDs Skipper
A tecnologia CCD existente pode fazer essas medições, mas leva muito tempo ou é menos eficiente. Então, os astrofísicos devem aumentar o sinal — ou seja, investindo mais tempo nos maiores telescópios do mundo — ou diminuir o ruído eletrônico.
Os CCDs Skipper foram introduzidos em 1990 para reduzir o ruído eletrônico a níveis que permitem a medição de fótons individuais. Eles fazem isso tomando múltiplas medidas de pixels interessantes e pulando o resto. Essa estratégia permite que os CCDs skipper aumentem a precisão das medições em regiões interessantes da imagem, ao mesmo tempo em que reduzem o tempo total de leitura.
Primeira aplicação astronômica de CCDs Skipper
Em 2017, os cientistas foram pioneiros no uso de CCDs skipper para experimentos de matéria escura, como SENSEI e ESCUROmas a apresentação recente mostrou a primeira vez que a tecnologia foi usada para observar o céu noturno e coletar dados astronômicos.
Em 31 de março e 9 de abril, os pesquisadores usaram CCDs skipper no Espectrógrafo de Campo Integral SOAR para coletar espectros astronômicos de um aglomerado de galáxias, dois quasares distantes, uma galáxia com linhas de emissão brilhantes e uma estrela que está potencialmente associada a uma matéria escura. -galáxia ultra-fraca dominada. Pela primeira vez nas observações astrofísicas do CCD, eles alcançaram ruído de leitura de subelétrons e contaram fótons individuais em comprimentos de onda ópticos.
“O que é incrível é que estes fotões viajaram até aos nossos detectores vindos de objectos a milhares de milhões de anos-luz de distância, e pudemos medir cada um deles individualmente”, disse Marrufo Villalpando.
Impacto e aplicações futuras dos CCDs Skipper
Os investigadores estão a analisar os dados destas primeiras observações, e a próxima execução programada do instrumento skipper-CCD no Telescópio SOAR é em julho de 2024.
“Muitas décadas se passaram desde que o skipper nasceu, por isso fiquei surpreso ao ver a tecnologia ganhar vida novamente muitas décadas depois”, disse Jim Janesick, inventor do skipper CCD e um renomado engenheiro do SRI International, um instituto de pesquisa com sede em Califórnia. “Os resultados do ruído são incríveis! Caí da cadeira quando vi os dados muito limpos.”
“Muitas décadas se passaram desde que o skipper nasceu, então fiquei surpreso ao ver a tecnologia ganhar vida novamente”, disse Jim Janesick, inventor do skipper CCD e um engenheiro renomado da SRI International, um instituto de pesquisa sediado na Califórnia. “Os resultados do ruído são incríveis! Eu caí da cadeira quando vi os dados de ruído subeletrônico muito limpos.”
Avanços e perspectivas futuras para a tecnologia Skipper CCD
Com a primeira demonstração bem sucedida da tecnologia skipper-CCD para astrofísica, os cientistas já estão a trabalhar para melhorá-la. A próxima geração de CCDs skipper, desenvolvida pelo Fermilab e pelo Lawrence Berkeley National Laboratory, é 16 vezes mais rápida que os dispositivos atuais. Esses novos dispositivos reduzirão bastante o tempo de leitura e os pesquisadores já começaram a testá-los em laboratório.
A próxima geração de CCDs skipper foi identificada para uso em futuros esforços de cosmologia do DOE, como os experimentos espectroscópicos DESI-II e Spec-S5, recomendados pela recente física de partículas dos EUA processo de planejamento. Além disso, NASA está considerando CCDs skipper para o futuro Observatório de Mundos Habitáveis, que tentará detectar planetas semelhantes à Terra ao redor de estrelas semelhantes ao Sol.
“Estou ansioso para ver onde esses detectores podem acabar”, disse Marrufo Villalpando, que aderiu ao programa em 2019. “As pessoas estão usando-os para coisas incríveis em todo o mundo; sua utilidade varia da física de partículas à cosmologia. É uma tecnologia muito versátil e útil.”
O projeto foi uma estreita colaboração entre físicos, astrônomos e engenheiros do Fermilab, da Universidade de Chicago, do NOIRLab da National Science Foundation, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE e do Laboratório Astrofísico Nacional do Brasil.
