天文仪器中的Skipper CCD打破了宇宙观测的极限

智利 Cerro Pachon 上的南方天体物理研究（SOAR）望远镜。资料来源：NOIRLab

研究人员利用 4.1 米长的南方天体物理研究（SOAR）望远镜上的一台仪器，首次获得了使用鳍状电荷耦合器件（CCD）的天文光谱。

6月16日，芝加哥大学物理学博士候选人、费米实验室能源部研究生仪器研究奖获得者埃德加-马鲁佛-比利亚潘多在日本举行的光电仪器工程师协会天文望远镜与仪器会议上介绍了这一成果。

美国能源部费米国家加速器实验室的宇宙学家亚历克斯-德里卡-瓦格纳（Alex Drlica-Wagner）领导了这一项目，他说："这是Skipper-CCD技术的一个重要里程碑。这有助于降低未来使用这种技术的风险，这对能源部未来的宇宙学项目至关重要。"

这是费米实验室与美国国家科学基金会NOIRLab探测器小组合作，通过实验室指导研发计划构思和启动的一个项目所取得的重要成就。实验室指导研发计划是由能源部赞助的一项国家计划，允许国家实验室在内部资助研发项目，探索新的想法或概念。

CCD 于 1969 年在美国发明，四十年后，科学家们因其成就获得了诺贝尔物理学奖。这种设备是由感光像素组成的二维阵列，可将进入的光子转换成电子。传统的 CCD 是最早用于数码相机的图像传感器，尽管其精度受到电子噪声的限制，但仍是天文学等许多科学成像应用的标准。

宇宙学家试图通过研究恒星和星系的分布来了解暗物质和暗能量的神秘本质。为此，他们需要先进的技术，以尽可能少的噪声看到更暗、更遥远的天体。

现有的 CCD 技术可以进行这些测量，但耗时较长或效率较低。因此，天体物理学家必须要么增加信号--即在世界上最大的望远镜上投入更多时间--要么减少电子噪声。

Skipper CCD 于 1990 年推出，旨在将电子噪声降低到可以测量单个光子的水平。为此，它们对感兴趣的像素进行多次测量，并跳过其余像素。这种策略使Skipper CCD 能够提高对图像感兴趣区域的测量精度，同时缩短总读出时间。

2017 年，科学家们率先在SENSEI和OSCURA 等暗物质实验中使用了 skipper CCD，但最近的演示则是首次将该技术用于观测夜空和收集天文数据。

3月31日和4月9日，研究人员利用SOAR积分场摄谱仪中的Skipper CCD收集了一个星系团、两颗遥远类星体、一个具有明亮发射线的星系和一颗可能与暗物质主导的超淡星系有关的恒星的天文光谱。在天体物理 CCD 观测中，他们首次实现了亚电子读出噪声，并对光学波长的单个光子进行了计数。

Marrufo Villalpando 说："令人难以置信的是，这些光子从数十亿光年外的天体传送到我们的探测器，而我们可以单独测量每一个光子。"

研究人员正在分析这些首次观测的数据，SOAR 望远镜上的 skipper-CCD 仪器的下一次运行计划是在 2024 年 7 月。

Skipper CCD 的发明者、加利福尼亚州研究机构 SRI International 的杰出工程师 Jim Janesick 说："自 Skipper 诞生以来，几十年过去了，所以我很惊讶地看到这项技术再次焕发生机。"噪音结果令人惊叹！当我看到非常干净的亚电子噪声数据时，我从座位上站了起来。"

随着用于天体物理学的鳍状 CCD 技术的首次成功演示，科学家们已经开始着手改进该技术。费米实验室和劳伦斯伯克利国家实验室开发的下一代鳍状 CCD 比目前的设备快 16 倍。这些新设备将大大缩短读出时间，研究人员已经开始在实验室对其进行测试。

下一代Skipper CCD 已被确定用于未来的能源部宇宙学工作，如最近美国粒子物理学规划进程建议的光谱实验DESI-II 和 Spec-S5。此外，美国国家航空航天局（NASA）正在考虑为即将建立的宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory）配备跳线式 CCD，该天文台将试图探测类太阳恒星周围的类地行星。

"我很期待看到这些探测器的最终用途，"2019 年加入该计划的 Marrufo Villalpando 说。"人们正在用它们做各种令人惊叹的事情；它们的用途从粒子物理学到宇宙学都有。这是一项用途广泛、非常有用的技术。"

该项目由费米实验室、芝加哥大学、美国国家科学基金会 NOIRLab、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和巴西国家天体物理实验室的物理学家、天文学家和工程师密切合作完成。

编译自/scitechdaily