Cómo los CCD maestros están rompiendo los límites de la observación cósmica

El Telescopio de Investigación Astrofísica del Sur (SOAR) en Cerro Pachón en Chile. Crédito: NOIRLab

Los investigadores utilizaron recientemente dispositivos de carga acoplada (CCD) en el Telescopio de Investigación Astrofísica del Sur de 4,1 metros para capturar el primer espectro astronómico utilizando esta tecnología.

Los avances recientes en la tecnología maestra CCD han permitido observaciones astronómicas precisas y de bajo ruido, allanando el camino para futuros descubrimientos científicos en cosmología y más allá.

Utilizando un instrumento del Telescopio de Investigación Astrofísica del Sur (SOAR) de 4,1 metros, los investigadores obtuvieron el primer espectro astronómico utilizando dispositivos de carga acoplada (CCD).

Los resultados fueron presentados el 16 de junio en la reunión de Telescopios + Instrumentación Astronómica de la Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Foto-Óptica en Japón por Edgar Marrufo Villalpando, candidato a doctorado en física de la Universidad de Chicago y becario del premio Fermilab DOE Graduate Instrumentation Award.

Hito Tecnológico en Astronomía

«Este es un paso importante para la tecnología CCD maestra», afirmó Alex Drlica-Wagner, cosmólogo del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos, que dirigió el proyecto. «Ayuda a reducir el riesgo del uso futuro percibido de esta tecnología, que es de vital importancia para futuros proyectos de cosmología del DOE».

Este es un logro importante para un proyecto diseñado e iniciado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en Fermilab en colaboración con la NSF. NOIRLab grupo de detectores. LDRD es un programa nacional patrocinado por el DOE que permite a los laboratorios nacionales financiar internamente proyectos de investigación y desarrollo que exploran nuevas ideas o conceptos.

Contexto histórico y evolución tecnológica

Los CCD se inventaron en Estados Unidos en 1969 y cuarenta años después, 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 precisión está limitada por el ruido electrónico.

Los cosmólogos intentan comprender la naturaleza misteriosa de la materia y la energía oscuras estudiando la distribución de estrellas y galaxias. Para ello, necesitan tecnología avanzada que pueda ver objetos astronómicos más débiles y distantes con el menor ruido posible.

Una revolución en la reducción de ruido con CCD maestros

La tecnología CCD existente puede realizar estas mediciones, pero lleva 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.

Los CCD Skipper se introdujeron en la década de 1990 para reducir el ruido electrónico a niveles que permitieran la medición de fotones individuales. Lo hacen tomando múltiples medidas de píxeles interesantes y ella salta el resto. Esta estrategia permite a los CCD maestros aumentar la precisión de las mediciones en regiones interesantes de la imagen al tiempo que reducen el tiempo total de lectura.

Primera aplicación astronómica de los Master CCD

En 2017, los científicos fueron pioneros en el uso de CCD maestros para experimentos de materia oscura como SENSEI y OSCURA, pero la presentación reciente mostró la primera vez que se utilizó la tecnología para observar el cielo durante la noche y recopilar datos astronómicos.

El 31 de marzo y el 9 de abril, los investigadores utilizaron CCD maestros en el espectrógrafo de campo integral SOAR para recolectar espectros astronómicos de un cúmulo de galaxias, dos cuásares distantes, una galaxia con emisión brillante y una estrella potencialmente asociada con materia oscura. -Galaxia ultra débil dominada por En el primero, para observaciones astrofísicas CCD, obtuvieron ruido de lectura de subelectrones y contaron fotones individuales en longitudes de onda ópticas.

«Lo increíble es que estos fotones viajaron hasta nuestros detectores desde objetos a miles de millones de años luz de distancia, y podemos medir cada uno individualmente», dijo Marrufo Villalpando.

Impacto y aplicaciones futuras de los CCD Skipper

Los investigadores están analizando los datos de estas primeras observaciones y la próxima ejecución programada del instrumento skipper-CCD en el Telescopio SOAR es en julio de 2024.

«Han pasado muchas décadas desde que nació el maestro, por lo que me sorprendió ver que la tecnología volvió a la vida muchas décadas después», dijo Jim Janesick, inventor del CCD maestro e ingeniero distinguido de -SRI International, un instituto de investigación con sede en California. “¡Los resultados del ruido son sorprendentes! Me caí del asiento cuando vi los datos muy limpios”.

«Han pasado muchas décadas desde que nació el maestro, así que me sorprendió ver cómo la tecnología volvía a la vida», dijo Jim Janesick, inventor del CCD maestro e ingeniero distinguido de SRI International, un instituto de investigación con sede en California. “¡Los resultados del ruido son sorprendentes! Me caí del asiento cuando vi los datos muy claros del ruido subelectrónico”.

Avances y perspectivas futuras de la tecnología CCD Master

Con la primera demostración exitosa de la tecnología Master-CCD para astrofísica, los científicos ya están trabajando para mejorarla. La próxima generación de CCD maestros, desarrollada por Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, es 16 veces más rápida que los dispositivos actuales. Estos nuevos dispositivos reducirán en gran medida el tiempo de lectura y los investigadores ya han comenzado a probarlos en el laboratorio.

Se ha identificado la próxima generación de CCD maestros para su uso en futuros esfuerzos cosmológicos del DOE, como experimentos espectroscópicos. DESI-II y Spec-S5, recomendados por el reciente proceso de planificación de física de partículas de EE. UU. Además, NASA está considerando CCD maestros para el próximo Observatorio de Mundos Habitables que intentará descubrir planetas similares a la Tierra alrededor de estrellas similares al Sol.

«Tengo muchas ganas de ver dónde pueden terminar estos detectores», dijo Marrufo Villalpando, quien se unió al programa en 2019. “La gente los usa 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 Fermilab, la Universidad de Chicago, el NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y el Laboratorio Nacional de Astrofísica de Brasil.