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(kāi)始用一種已經(jīng)存在很長(cháng)時(shí)間的成像設備進(jìn)行最新的觀(guān)測。南方天體物理研究（SOAR）望遠鏡位于智利北部的Cerro Pachón山頂，是第一臺使用新型、更靈敏的電荷耦合器件（CCD）的望遠鏡。
幾十年來(lái)，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(huì )產(chǎn)生電噪聲，可以沖刷最敏感的觀(guān)察結果。對于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種噪音使他們的儀器無(wú)法分辨夜空中最微弱的物體，例如遙遠的恒星或古老的星系。新型CCD，稱(chēng)為skipper CCD，試圖通過(guò)改變CCD的功能操作方式來(lái)篩選噪聲。
任何CCD的皇冠上的明珠都是它的檢測器：一種半導體，通常是硅，被劃分成像素網(wǎng)格。當攜帶光子撞擊像素時(shí)，由于光電效應，它們會(huì )產(chǎn)生自由電子。底層讀出組件收集并計算每個(gè)像素的電子數。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、準確度和靈敏度方面引發(fā)了一場(chǎng)革命?！薄狝LEX DRLICA-WAGNER，費米實(shí)驗室
船長(cháng)CCD改進(jìn)了讀出組件，使其能夠通過(guò)對同一像素進(jìn)行多次測量來(lái)降低噪聲。對于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，今年3月開(kāi)始的SOAR望遠鏡觀(guān)測證明了船長(cháng)CCD的潛力。其他研究人員正在修補船長(cháng)CCD來(lái)尋找暗物質(zhì)的痕跡。船長(cháng)CCD在觀(guān)察宇宙之外還具有巨大的潛力：醫學(xué)成像、放射性同位素檢測和其他類(lèi)型的精細圖像拍攝都將從這一發(fā)展中受益。
傳統的CCD曾經(jīng)在消費類(lèi)設備中很常見(jiàn)，包括千禧年之交的數碼相機，但現在它們已經(jīng)很少見(jiàn)了。更簡(jiǎn)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攝像頭等小工具中的地位。但對于需要最高靈敏度的專(zhuān)業(yè)應用，如夜視、醫學(xué) X 射線(xiàn)圖像和天文學(xué)，CCD 仍然是首選的成像傳感器。

 SOAR望遠鏡現在具有四個(gè)安裝在低溫真空容器內的船長(cháng)CCD。埃德加·馬魯?！ぞS拉潘多/ASTROSKIPPER 合作
在20世紀的大部分時(shí)間里，天文學(xué)家主要是通過(guò)將玻璃板插入望遠鏡來(lái)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(wú)法捕獲10%的入射光子。另一方面，現代 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(jiàn)光、紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)波長(cháng)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、準確性和靈敏度方面引發(fā)了這場(chǎng)革命，”費米實(shí)驗室和芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家Alex Drlica-Wagner說(shuō)，他是參與SOAR觀(guān)測的研究人員之一。
使用CCD的研究人員經(jīng)常通過(guò)計算光子撞擊探測器時(shí)產(chǎn)生的電子來(lái)談?wù)撍麄兯^(guān)察到的。非常亮的光可以為每個(gè)像素產(chǎn)生數百個(gè)電子。但是天文學(xué)家并不總是能夠觀(guān)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)位數的電子，這可能會(huì )迫使天文學(xué)家與噪聲作斗爭。
一些噪聲來(lái)自地球大氣層等外部來(lái)源，但即使是理想環(huán)境中的CCD也會(huì )從讀出電子設備中捕獲噪聲。雖然工程師們已經(jīng)制造出了越來(lái)越好的CCD，但即使是最好的CCD，每個(gè)像素仍然會(huì )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測量次數的平方根的系數?！斑@特別讓你對非常微弱的來(lái)源變得更加敏感，”Drlica-Wagner說(shuō)。
雖然船長(cháng)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(zhù)他們創(chuàng )建的讀出組件仍然會(huì )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，并擁有數十年的半導體開(kāi)發(fā)經(jīng)驗?！霸谶^(guò)去的幾十年里，制造技術(shù)以及用于讀取探測器的電子設備都取得了很大的進(jìn)步，”Drlica-Wagner說(shuō)。
天文學(xué)家并不總是能夠觀(guān)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)位數的電子。
SOAR望遠鏡的儀器包含四個(gè)跳躍式CCD，總共有2400萬(wàn)像素，比它所取代的舊式傳統CCD有所增加，后者包含一個(gè)1600萬(wàn)像素的探測器。這些船長(cháng)CCD在三月份首次亮相，當時(shí)Drlica-Wagner及其同事使用新儀器成功觀(guān)測了恒星，星系團和類(lèi)星體（古老，遙遠，極其明亮的星系）。研究人員本月早些時(shí)候開(kāi)始了一組新的觀(guān)察結果。
Drlica-Wagner說(shuō)，船長(cháng)CCD可能有一個(gè)主要缺點(diǎn)：速度。重復測量需要時(shí)間，而船長(cháng)CCD進(jìn)行的重復測量越多，單次觀(guān)察所需的時(shí)間就越多?！斑@仍然是天文學(xué)廣泛使用的障礙，”他說(shuō)。對他來(lái)說(shuō)幸運的是，費米實(shí)驗室等實(shí)驗室的工程師已經(jīng)能夠通過(guò)在讀出電路中添加大量放大器來(lái)加快圖像拍攝速度。
SOAR并不是唯一一個(gè)使用高級CCD的項目。自 2020 年以來(lái)，在安大略省北部的一個(gè)舊礦井中，亞電子噪聲 Skipper-CCD 實(shí)驗儀器 （SENSEI） 探測器一直使用 Skipper CCD 來(lái)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十個(gè)亞原子粒子。這些并不是暗物質(zhì)的直接證據，但這樣的觀(guān)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。