Mithilfe eines Instruments am 4,1 Meter großen Southern Astrophysical Research Telescope haben Forscher das erste astronomische Spektrum mithilfe von Skipper-CCDs (Charge-Coupled Devices) erhalten.
Die Ergebnisse wurden am 16. Juni im Gesellschaft für photooptische Instrumentierungsingenieure Astronomische Teleskope + Instrumentierung Treffen in Japan von Edgar Marrufo Villalpando, einem Doktoranden der Physik an der Universität Chicago und Fermilab DOE Graduate Instrumentation Research Award Fellow.
„Dies ist ein wichtiger Meilenstein für die Skipper-CCD-Technologie“, sagte Alex Drlica-Wagner, Kosmologe am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, der das Projekt leitete. „Es trägt dazu bei, die wahrgenommenen Risiken für den Einsatz dieser Technologie in der Zukunft zu verringern, was für zukünftige Kosmologieprojekte des Energieministeriums von entscheidender Bedeutung ist.“
Dies ist ein wichtiger Erfolg für ein Projekt, das im Rahmen des Laboratory Directed Research and Development-Programms am Fermilab in Zusammenarbeit mit der NOIRLab-Detektorgruppe der NSF konzipiert und initiiert wurde. LDRD ist ein vom DOE gefördertes nationales Programm, das es nationalen Laboren ermöglicht, Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur Erforschung neuer Ideen oder Konzepte intern zu finanzieren.
CCDs wurden 1969 in den USA erfunden und vierzig Jahre später erhielten Wissenschaftler für ihre Leistung den Nobelpreis für Physik. Die Geräte sind zweidimensionale Anordnungen lichtempfindlicher Pixel, die eingehende Photonen in Elektronen umwandeln. Konventionelle CCDs sind die Bildsensoren, die zuerst in Digitalkameras verwendet wurden, und sie bleiben der Standard für viele wissenschaftliche Bildgebungsanwendungen, wie etwa in der Astronomie, obwohl ihre Genauigkeit durch elektronisches Rauschen begrenzt ist.
Kosmologen versuchen, die geheimnisvolle Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie zu verstehen, indem sie die Verteilung von Sternen und Galaxien untersuchen. Dazu benötigen sie fortschrittliche Technologie, mit der sie schwächere, weiter entfernte astronomische Objekte mit möglichst wenig Rauschen erkennen können.
Mit der bestehenden CCD-Technologie sind diese Messungen zwar möglich, sie dauern jedoch lange oder sind weniger effizient. Astrophysiker müssen also entweder das Signal verstärken – d. h. indem sie mehr Zeit in die größten Teleskope der Welt investieren – oder das elektronische Rauschen verringern.
Skipper-CCDs wurden 1990 eingeführt, um das elektronische Rauschen auf ein Niveau zu reduzieren, das die Messung einzelner Photonen ermöglicht. Dies wird erreicht, indem mehrere Messungen interessanter Pixel durchgeführt und der Rest übersprungen wird. Mit dieser Strategie können Skipper-CCDs die Messgenauigkeit in interessanten Bildbereichen erhöhen und gleichzeitig die Gesamtlesezeit verkürzen.
Im Jahr 2017 haben Wissenschaftler erstmals Skipper-CCDs für Dunkle-Materie-Experimente wie SENSEI und OSCURA eingesetzt. Die neue Präsentation zeigt jedoch das erste Mal, dass die Technologie zur Beobachtung des Nachthimmels und zum Sammeln astronomischer Daten eingesetzt wurde.
Am 31. März und 9. April verwendeten die Forscher Skipper-CCDs im SOAR Integral Field Spectrograph, um astronomische Spektren von einem Galaxienhaufen, zwei entfernten Quasaren, einer Galaxie mit hellen Emissionslinien und einem Stern zu sammeln, der möglicherweise mit einer von dunkler Materie dominierten ultra-schwachen Galaxie in Verbindung steht. Als erstes astrophysikalisches CCD-Beobachtungsgerät erreichten sie ein Ausleserauschen unterhalb der Elektronengrenze und zählten einzelne Photonen bei optischen Wellenlängen.
„Das Unglaubliche ist, dass diese Photonen von Objekten, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind, zu unseren Detektoren gelangten und wir jedes einzelne messen konnten“, sagte Marrufo Villalpando.
Die Forscher analysieren die Daten dieser ersten Beobachtungen und der nächste geplante Lauf für das Skipper-CCD-Instrument auf dem SOAR-Teleskop ist im Juli 2024.
„Seit der Erfindung des Skippers sind viele Jahrzehnte vergangen, und ich war überrascht, dass die Technologie viele Jahrzehnte später wieder zum Leben erweckt wurde“, sagte Jim Janesick, Erfinder des Skipper-CCD und renommierter Ingenieur bei SRI International, einem Forschungsinstitut mit Sitz in Kalifornien. „Die Rauschergebnisse sind erstaunlich. Ich bin vom Stuhl gefallen, als ich die sehr sauberen Daten sah.“
Nach der ersten erfolgreichen Demonstration der Skipper-CCD-Technologie für die Astrophysik arbeiten Wissenschaftler bereits an deren Verbesserung. Die nächste Generation von Skipper-CCDs, die von Fermilab und dem Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelt wurde, ist 16-mal schneller als aktuelle Geräte. Diese neuen Geräte werden die Auslesezeit erheblich verkürzen, und Forscher haben bereits begonnen, sie im Labor zu testen.
Die nächste Generation von Skipper-CCDs ist für zukünftige kosmologische Bemühungen des DOE vorgesehen, wie etwa die spektroskopischen Experimente DESI-II und Spec-S5, die im jüngsten Planungsprozess der US-amerikanischen Teilchenphysik empfohlen wurden. Darüber hinaus erwägt die NASA, Skipper-CCDs für das kommende Habitable Worlds Observatory einzusetzen, das erdähnliche Planeten um sonnenähnliche Sterne entdecken soll.
„Ich bin gespannt, wo diese Detektoren am Ende landen werden“, sagte Marrufo Villalpando, der 2019 dem Programm beitrat. „Die Leute nutzen sie überall für erstaunliche Dinge; ihr Nutzen reicht von der Teilchenphysik bis zur Kosmologie. Es ist eine sehr vielseitige und nützliche Technologie.“
Das Projekt war eine enge Zusammenarbeit zwischen Physikern, Astronomen und Ingenieuren am Fermilab, UChicago, dem NOIRLab der National Science Foundation, dem Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE und dem National Astrophysical Laboratory of Brazil.