Adapté d’un libérer par le Laboratoire national des accélérateurs Fermi.
À l’aide d’un instrument du télescope SOAR (Southern Astrophysical Research) de 4,1 mètres, les chercheurs ont obtenu le premier spectre astronomique à l’aide de dispositifs à couplage de charge (CCD) avec skipper. Les CCD Skipper peuvent descendre jusqu’à des niveaux de bruit très faibles, ce qui aide les astronomes à voir les galaxies lointaines.
“Nous avions déjà développé des CCD skipper pour la détection de la matière noire, et il s’agit de la première transition réussie de cette technologie pour imager des objets astronomiques faibles”, a déclaré Steve Holland, ingénieur principal à la division de physique du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie. Les quatre CCD de qualité scientifique déployés à SOAR ont été conçus et traités au laboratoire de Berkeley, tirant parti de la vaste expertise du laboratoire en matière de technologie CCD. Cela inclut le développement de « CCD sensibles au rouge » pour la caméra à énergie noire, l’instrument spectroscopique à énergie noire et les conceptions skipper-CCD utilisées dans les expériences sur la matière noire.
Les 31 mars et 9 avril, des chercheurs ont utilisé des CCD skipper pour collecter les spectres astronomiques d’un amas de galaxies, de deux quasars distants, d’une galaxie avec des raies d’émission lumineuses et d’une étoile potentiellement associée à une galaxie ultra-faible dominée par la matière noire. Dans une première pour les observations astrophysiques CCD, ils ont obtenu un bruit de lecture sous-électronique et compté des photons individuels à des longueurs d’onde optiques. Les résultats ont été présentés le 17 juin à la Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Astronomical Telescopes + Instrumentation réunion au Japon.
“Il s’agit d’une étape majeure pour la technologie skipper-CCD”, a déclaré Alex Drlica-Wagner, cosmologue au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE et professeur agrégé à l’Université de Chicago qui a dirigé le projet. “Cela contribue à éliminer les risques perçus liés à l’utilisation de cette technologie à l’avenir, ce qui est d’une importance vitale pour le futur DOE. cosmologie projets.”
Il s’agit d’une réalisation importante pour un projet conçu et lancé dans le cadre du programme de recherche et développement dirigé en laboratoire du Fermilab en collaboration avec le groupe de détecteurs NOIRLab de NFS. LDRD est un programme national parrainé par le DOE qui permet aux laboratoires nationaux de financer en interne des projets de recherche et développement explorant de nouvelles idées ou concepts.
Les CCD ont été inventés aux États-Unis en 1969 et quarante ans plus tard, les scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs réalisations. Les dispositifs sont des réseaux bidimensionnels de pixels sensibles à la lumière qui convertissent les photons entrants en électrons. Les capteurs CCD conventionnels sont les premiers capteurs d’images utilisés dans les appareils photo numériques et restent la norme pour de nombreuses applications d’imagerie scientifique, telles que l’astronomie, bien que leur précision soit limitée par le bruit électronique.
Les cosmologues cherchent à comprendre la nature mystérieuse de matière noire et énergie noire en étudiant la distribution des étoiles et des galaxies. Pour ce faire, ils ont besoin d’une technologie avancée capable de voir des objets astronomiques plus faibles et plus éloignés avec le moins de bruit possible.
La technologie CCD existante peut effectuer ces mesures mais prend beaucoup de temps ou est moins efficace. Les astrophysiciens doivent donc soit augmenter le signal – c’est-à-dire en investissant plus de temps sur les plus grands télescopes du monde –, soit diminuer le bruit électronique.
Steve Holland du Berkeley Lab a conçu les CCD skipper utilisés au SOAR pour les observations astronomiques. Une fois les CCD fabriqués chez Teledyne DALSA au Canada, ils ont été traités au laboratoire de microsystèmes du Berkeley Lab. Les CCD étaient « rétroéclairés », ce qui les rend très sensibles à la lumière. (Crédit : Steve Holland/Berkeley Lab)
Les CCD Skipper ont été introduits en 1990 pour réduire le bruit électronique à des niveaux permettant la mesure de photons individuels. Pour ce faire, ils prennent plusieurs mesures de pixels intéressants et saut le reste. Cette stratégie permet aux CCD skipper d’augmenter la précision des mesures dans les régions intéressantes de l’image tout en réduisant le temps total de lecture.
En 2017, des scientifiques ont été les premiers à utiliser des CCD skipper pour des expériences sur la matière noire telles que SENSEI et SOMBREmais la présentation d’aujourd’hui a montré la première fois que la technologie était utilisée pour observer le ciel nocturne et collecter des données astronomiques.
“Ce qui est incroyable, c’est que ces photons ont voyagé jusqu’à nos détecteurs à partir d’objets situés à des milliards d’années-lumière, et nous avons pu mesurer chacun d’entre eux individuellement”, a déclaré Edgar Marrufo Villalpando, doctorant en physique à l’Université de Chicago et diplômé en recherche en instrumentation du Fermilab DOE. Award Fellow qui a présenté les résultats.
Les chercheurs analysent les données de ces premières observations, qui ont utilisé le spectrographe d’unité de champ intégral SOAR (SIFS), un instrument construit par le Laboratoire national d’astrophysique. La prochaine exécution prévue de l’instrument skipper-CCD sur le télescope SOAR aura lieu en juillet 2024.
“De nombreuses décennies se sont écoulées depuis la naissance du skipper, j’ai donc été surpris de voir la technologie reprendre vie plusieurs décennies plus tard”, a déclaré Jim Janesick, inventeur du skipper CCD et ingénieur distingué au SRI International, un institut de recherche basé à Californie. « Les résultats sonores sont incroyables ! Je suis tombé de mon siège lorsque j’ai vu les données très claires sur le bruit sous-électronique.
Avec la première démonstration réussie de la technologie skipper-CCD pour l’astrophysique, les scientifiques travaillent déjà à l’améliorer. La nouvelle génération de CCD skipper, développée par Berkeley Lab et Fermilab, est 16 fois plus rapide que les appareils actuels. Des prototypes de CCD plus rapides appelés « Multiple-Amplifier Sensing (MAS) » ont été testés avec succès dans le cadre d’un LDRD dirigé par Julien Guy, physicien au Berkeley Lab.
“Jim Janesick a été extrêmement utile au cours des premiers jours de développement de notre CCD au laboratoire de Berkeley, et c’est passionnant de voir l’invention du skipper-CCD de Jim ‘relancée’ et fusionnée avec les CCD sensibles au rouge, entièrement épuisés”, a déclaré Holland. Les efforts CCD du Berkeley Lab ont officiellement débuté avec un LDRD en 1995 et ont été dirigés par Saul Perlmutter, qui remportera plus tard le prix Nobel de physique.
La prochaine génération de CCD skipper a été identifiée pour être utilisée dans les futurs efforts de cosmologie du DOE, tels que les expériences spectroscopiques DESI-II et Spec-S5 recommandées par le récent laboratoire américain de physique des particules. processus de planification. En outre, la NASA envisage d’utiliser des CCD skipper pour le prochain Observatoire des mondes habitables, qui tentera de détecter des planètes semblables à la Terre autour d’étoiles semblables au Soleil.
« J’ai hâte de voir où ces détecteurs pourraient aboutir », a déclaré Marrufo Villalpando, qui a rejoint le programme en 2019. « Les gens les utilisent partout pour des choses étonnantes ; leur utilité va de la physique des particules à la cosmologie. C’est une technologie très polyvalente et utile.
Le projet était le fruit d’une étroite collaboration entre des physiciens, des astronomes et des ingénieurs du Berkeley Lab, du Fermilab, de l’UChicago, du NOIRLab de la National Science Foundation et du Laboratoire national d’astrophysique du Brésil.
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Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) s’engage à fournir des solutions à l’humanité grâce à la recherche sur les énergies propres, une planète saine et la découverte scientifique. Fondé en 1931 sur la conviction que les plus gros problèmes sont mieux résolus par les équipes, le Berkeley Lab et ses scientifiques ont été récompensés par 16 prix Nobel. Des chercheurs du monde entier s’appuient sur les installations scientifiques de classe mondiale du laboratoire pour leurs propres recherches pionnières. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme géré par l’Université de Californie pour le compte de l’Office of Science du Département américain de l’énergie.
L’Office of Science du DOE est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, s’il vous plaît visitez énergie.gov/science.
2024-06-25 19:01:39
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