電荷耦合器件幫助科學(xué)家看到最弱的恒星

本月早些時(shí)候，天文學(xué)家開始用一種已經(jīng)存在很長時(shí)間的成像設(shè)備進(jìn)行最新的觀測。南方天體物理研究（SOAR）望遠(yuǎn)鏡位于智利北部的Cerro Pachón山頂，是第一臺使用新型、更靈敏的電荷耦合器件（CCD）的望遠(yuǎn)鏡。
幾十年來，CCD一直是電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品，尤其是在非常敏感的科學(xué)儀器中。但它們的組件會產(chǎn)生電噪聲，可以沖刷最敏感的觀察結(jié)果。對于天文學(xué)家來說，這種噪音使他們的儀器無法分辨夜空中最微弱的物體，例如遙遠(yuǎn)的恒星或古老的星系。新型CCD，稱為skipper CCD，試圖通過改變CCD的功能操作方式來篩選噪聲。
任何CCD的皇冠上的明珠都是它的檢測器：一種半導(dǎo)體，通常是硅，被劃分成像素網(wǎng)格。當(dāng)攜帶光子撞擊像素時(shí)，由于光電效應(yīng)，它們會產(chǎn)生自由電子。底層讀出組件收集并計(jì)算每個(gè)像素的電子數(shù)。像素中的電子越多，該像素在生成的圖像中就越亮。
“CCD技術(shù)在天文學(xué)的精度、準(zhǔn)確度和靈敏度方面引發(fā)了一場革命?！薄狝LEX DRLICA-WAGNER，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室
船長CCD改進(jìn)了讀出組件，使其能夠通過對同一像素進(jìn)行多次測量來降低噪聲。對于天文學(xué)家來說，今年3月開始的SOAR望遠(yuǎn)鏡觀測證明了船長CCD的潛力。其他研究人員正在修補(bǔ)船長CCD來尋找暗物質(zhì)的痕跡。船長CCD在觀察宇宙之外還具有巨大的潛力：醫(yī)學(xué)成像、放射性同位素檢測和其他類型的精細(xì)圖像拍攝都將從這一發(fā)展中受益。
傳統(tǒng)的CCD曾經(jīng)在消費(fèi)類設(shè)備中很常見，包括千禧年之交的數(shù)碼相機(jī)，但現(xiàn)在它們已經(jīng)很少見了。更簡單、更便宜的CMOS像素傳感器在很大程度上取代了它們在手機(jī)攝像頭等小工具中的地位。但對于需要最高靈敏度的專業(yè)應(yīng)用，如夜視、醫(yī)學(xué) X 射線圖像和天文學(xué)，CCD 仍然是首選的成像傳感器。

 SOAR望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在具有四個(gè)安裝在低溫真空容器內(nèi)的船長CCD。埃德加·馬魯?！ぞS拉潘多/ASTROSKIPPER 合作
在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，天文學(xué)家主要是通過將玻璃板插入望遠(yuǎn)鏡來捕捉圖像，然后像膠片一樣沖洗它們。即使在最好的夜晚，板片甚至無法捕獲10%的入射光子。另一方面，現(xiàn)代 CCD 可以捕獲 70% 或 80% 的光子。因此，很容易理解為什么天文學(xué)家——尤其是那些用近紅外、可見光、紫外線和X射線波長對天空進(jìn)行成像的人——對CCD如此熱衷。
“CCD技術(shù)在天文學(xué)的精度、準(zhǔn)確性和靈敏度方面引發(fā)了這場革命，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家Alex Drlica-Wagner說，他是參與SOAR觀測的研究人員之一。
使用CCD的研究人員經(jīng)常通過計(jì)算光子撞擊探測器時(shí)產(chǎn)生的電子來談?wù)撍麄兯^察到的。非常亮的光可以為每個(gè)像素產(chǎn)生數(shù)百個(gè)電子。但是天文學(xué)家并不總是能夠觀察到非常明亮的物體，微弱的物體可能每個(gè)像素只能產(chǎn)生個(gè)位數(shù)的電子，這可能會迫使天文學(xué)家與噪聲作斗爭。
一些噪聲來自地球大氣層等外部來源，但即使是理想環(huán)境中的CCD也會從讀出電子設(shè)備中捕獲噪聲。雖然工程師們已經(jīng)制造出了越來越好的CCD，但即使是最好的CCD，每個(gè)像素仍然會產(chǎn)生大約2個(gè)電子的噪聲，與微弱的天文物體產(chǎn)生的信號相當(dāng)或更高。
在 1990 年代初期，工程師提出了一種解決方案：修改讀出組件以對每個(gè)像素進(jìn)行多次測量，然后對這些測量值進(jìn)行平均。從理論上講，這樣做可以在不需要修改檢測器的情況下降低讀出噪聲：CCD的靈敏度增加了重復(fù)測量次數(shù)的平方根的系數(shù)?！斑@特別讓你對非常微弱的來源變得更加敏感，”Drlica-Wagner說。
雖然船長CCD并不是一個(gè)新想法，但1990年代制造技術(shù)的尺寸限制意味著他們創(chuàng)建的讀出組件仍然會產(chǎn)生太多的噪聲。直到 2010 年代，科學(xué)家們才真正能夠重新審視這個(gè)想法，并擁有數(shù)十年的半導(dǎo)體開發(fā)經(jīng)驗(yàn)?！霸谶^去的幾十年里，制造技術(shù)以及用于讀取探測器的電子設(shè)備都取得了很大的進(jìn)步，”Drlica-Wagner說。
天文學(xué)家并不總是能夠觀察到非常明亮的物體，而微弱的物體可能每個(gè)像素只能產(chǎn)生個(gè)位數(shù)的電子。
SOAR望遠(yuǎn)鏡的儀器包含四個(gè)跳躍式CCD，總共有2400萬像素，比它所取代的舊式傳統(tǒng)CCD有所增加，后者包含一個(gè)1600萬像素的探測器。這些船長CCD在三月份首次亮相，當(dāng)時(shí)Drlica-Wagner及其同事使用新儀器成功觀測了恒星，星系團(tuán)和類星體（古老，遙遠(yuǎn)，極其明亮的星系）。研究人員本月早些時(shí)候開始了一組新的觀察結(jié)果。
Drlica-Wagner說，船長CCD可能有一個(gè)主要缺點(diǎn)：速度。重復(fù)測量需要時(shí)間，而船長CCD進(jìn)行的重復(fù)測量越多，單次觀察所需的時(shí)間就越多。“這仍然是天文學(xué)廣泛使用的障礙，”他說。對他來說幸運(yùn)的是，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)室的工程師已經(jīng)能夠通過在讀出電路中添加大量放大器來加快圖像拍攝速度。
SOAR并不是唯一一個(gè)使用高級CCD的項(xiàng)目。自 2020 年以來，在安大略省北部的一個(gè)舊礦井中，亞電子噪聲 Skipper-CCD 實(shí)驗(yàn)儀器 （SENSEI） 探測器一直使用 Skipper CCD 來尋找暗物質(zhì)的跡象。在SENSEI的案例中，CCD的讀出組件旨在收集由理論上的暗物質(zhì)粒子落在探測器上產(chǎn)生的電子。2023 年，SENSEI 的物理學(xué)家證明，六跳 CCD 陣列可以消除噪聲并檢測數(shù)十個(gè)亞原子粒子。這些并不是暗物質(zhì)的直接證據(jù)，但這樣的觀察可以幫助物理學(xué)家更好地理解暗物質(zhì)可能是什么樣子。