Teleskop Southern Astrophysical Research (SOAR) di Cerro Pachon di Chili. Kredit: NOIRLab
Para peneliti baru-baru ini menggunakan perangkat skipper charge-paired devices (CCD) pada Southern Astrophysical Research Telescope sepanjang 4,1 meter untuk menangkap spektrum astronomi pertama menggunakan teknologi ini.
Kemajuan terkini dalam teknologi skipper CCD telah memungkinkan pengamatan astronomi yang presisi dan bersuara rendah, sehingga membuka jalan bagi terobosan ilmiah di masa depan dalam kosmologi dan seterusnya.
Dengan menggunakan instrumen pada Teleskop Southern Astrophysical Research (SOAR) sepanjang 4,1 meter, para peneliti memperoleh spektrum astronomi pertama menggunakan perangkat skipper charge coupler (CCD).
Hasilnya dipresentasikan pada 16 Juni di pertemuan Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Astronomical Telescopes + Instrumentation di Jepang oleh Edgar Marrufo Villalpando, kandidat PhD fisika di Universitas Chicago dan Penerima Penghargaan Penelitian Instrumentasi Pascasarjana Fermilab DOE.
Tonggak Teknologi dalam Astronomi
“Ini merupakan tonggak penting bagi teknologi skipper-CCD,” kata Alex Drlica-Wagner, seorang kosmolog di Laboratorium Akselerator Nasional Fermi milik Departemen Energi AS yang memimpin proyek tersebut. “Ini membantu mengurangi risiko yang dirasakan dalam penggunaan teknologi ini di masa mendatang, yang sangat penting bagi proyek kosmologi DOE di masa mendatang.”
Ini merupakan tonggak penting bagi proyek yang disusun dan diprakarsai melalui program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium di Fermilab bekerja sama dengan NSF. laboratorium NOIR kelompok detektor. LDRD adalah program nasional yang disponsori oleh DOE yang memungkinkan laboratorium nasional untuk mendanai secara internal proyek penelitian dan pengembangan yang mengeksplorasi ide atau konsep baru.
Konteks Sejarah dan Evolusi Teknologi
CCD ditemukan di Amerika Serikat pada tahun 1969, dan empat puluh tahun kemudian para ilmuwan dianugerahi Penghargaan Nobel dalam bidang Fisika atas pencapaiannya. Perangkat tersebut berupa susunan dua dimensi piksel peka cahaya yang mengubah foton yang masuk menjadi elektron. CCD konvensional merupakan sensor gambar pertama yang digunakan dalam kamera digital, dan tetap menjadi standar untuk banyak aplikasi pencitraan ilmiah, seperti astronomi, meskipun presisinya dibatasi oleh gangguan elektronik.
Para kosmolog mencoba memahami sifat misterius materi gelap dan energi gelap dengan mempelajari distribusi bintang dan galaksi. Untuk melakukan hal ini, mereka memerlukan teknologi canggih yang dapat melihat objek astronomi yang lebih redup dan jauh dengan kebisingan sesedikit mungkin.
Terobosan dalam Pengurangan Kebisingan dengan Skipper CCD
Teknologi CCD yang ada dapat melakukan pengukuran tersebut namun memerlukan waktu yang lama atau kurang efisien. Jadi, ahli astrofisika harus meningkatkan sinyalnya – yaitu dengan menginvestasikan lebih banyak waktu pada teleskop terbesar di dunia – atau mengurangi interferensi elektronik.
Skipper CCD diperkenalkan pada tahun 1990 untuk mengurangi gangguan elektronik ke tingkat yang memungkinkan pengukuran foton individual. CCD ini melakukan ini dengan melakukan beberapa pengukuran piksel yang menarik dan melewati Strategi ini memungkinkan skipper CCD untuk meningkatkan presisi pengukuran pada area gambar yang diinginkan sekaligus mengurangi total waktu pembacaan.
Penerapan Astronomi Pertama CCD Skipper
Pada tahun 2017, para ilmuwan memelopori penggunaan CCD skipper untuk eksperimen materi gelap seperti SENSEI dan OSCURA, tetapi presentasi terbaru menandai pertama kalinya teknologi tersebut digunakan untuk mengamati langit malam dan mengumpulkan data astronomi.
Pada tanggal 31 Maret dan 9 April, para peneliti menggunakan CCD skipper di SOAR Integrated Field Spectrograph untuk mengumpulkan spektrum astronomi dari gugus galaksi, dua quasar yang jauh, galaksi dengan garis emisi terang, dan bintang yang mungkin terkait dengan galaksi yang sangat redup dan didominasi materi. gelap. Untuk pertama kalinya dalam pengamatan CCD astrofisika, mereka memperoleh pembacaan derau sub-elektron dan menghitung foton individual pada panjang gelombang optik.
“Yang menakjubkan adalah foton-foton ini berpindah ke detektor kita dari objek-objek yang berjarak miliaran tahun cahaya, dan kita dapat mengukurnya satu per satu,” kata Marrufo Villalpando.
Dampak dan Aplikasi CCD Skipper di Masa Depan
Para peneliti menganalisis data dari pengamatan pertama ini, dan peluncuran terjadwal berikutnya dari instrumen skipper-CCD pada Teleskop SOAR adalah pada bulan Juli 2024.
“Sudah puluhan tahun sejak nakhoda itu lahir, jadi saya terkejut melihat teknologi itu kembali hidup puluhan tahun kemudian,” kata Jim Janesick, penemu CCD nakhoda dan insinyur terkemuka di SRI International, sebuah lembaga penelitian yang berbasis di California. “Hasil kebisingannya menakjubkan! Saya terjatuh dari kursi saat melihat data yang begitu bersih.”
“Sudah berpuluh-puluh tahun sejak nakhoda lahir, jadi saya terkejut melihat teknologinya dihidupkan kembali,” kata Jim Janesick, penemu CCD nakhoda dan insinyur terkemuka di SRI International, sebuah lembaga penelitian yang berbasis di California. “Hasil kebisingannya luar biasa! Saya terjatuh dari kursi ketika melihat data kebisingan subelektronik yang sangat bersih.”
Kemajuan dan Prospek Masa Depan Teknologi CCD Skipper
Dengan demonstrasi pertama yang berhasil dari teknologi skipper-CCD untuk astrofisika, para ilmuwan telah berupaya untuk menyempurnakannya. CCD skipper generasi berikutnya, yang dikembangkan oleh Fermilab dan Lawrence Berkeley National Laboratory, 16 kali lebih cepat daripada perangkat yang ada saat ini. Perangkat baru ini akan mengurangi waktu pembacaan secara signifikan, dan para peneliti telah mulai mengujinya di laboratorium.
CCD kapten generasi berikutnya telah diidentifikasi untuk digunakan dalam upaya kosmologi DOE di masa depan, seperti eksperimen spektroskopi DESAIN-II dan Spec-S5, direkomendasikan oleh proses perencanaan fisika partikel AS saat ini. Selain itu, NASA sedang mempertimbangkan kapten CCD untuk Habitable Worlds Observatory yang akan mencoba mendeteksi planet mirip Bumi di sekitar bintang mirip matahari.
“Saya tidak sabar untuk melihat bagaimana detektor ini akan digunakan,” kata Marrufo Villalpando, yang bergabung dengan program ini pada tahun 2019. “Orang-orang menggunakannya untuk hal-hal menakjubkan di mana pun; kegunaannya berkisar dari fisika partikel hingga kosmologi. Ini adalah teknologi yang sangat serbaguna dan berguna.”
Proyek ini merupakan kolaborasi erat antara fisikawan, astronom, dan insinyur di Fermilab, Universitas Chicago, NOIRLab milik National Science Foundation, Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley milik DOE, dan Laboratorium Astrofisika Nasional Brasil.
NewsRoom.id
