Le télescope de recherche astrophysique australe (SOAR) sur le Cerro Pachon au Chili. Crédit : NOIRLab
Les chercheurs ont récemment utilisé des dispositifs à couplage de charge (CCD) sur le télescope de recherche astrophysique austral de 4,1 mètres pour capturer le premier spectre astronomique à l'aide de cette technologie.
Les progrès récents de la technologie skipper CCD ont permis des observations astronomiques précises et à faible bruit, ouvrant la voie à de futures avancées scientifiques en cosmologie et au-delà.
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 résultats ont été présentés le 16 juin lors de la réunion de la Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Astronomical Telescopes + Instrumentation au Japon par Edgar Marrufo Villalpando, doctorant en physique à l' Université de Chicago et un boursier diplômé en recherche sur l'instrumentation du Fermilab DOE.
Une étape technologique majeure dans l'astronomie
« Il s’agit d’une étape majeure pour la technologie Skipper-CCD », a déclaré Alex Drlica-Wagner, cosmologiste au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi du Département américain de l’énergie qui a dirigé le projet. « Cela permet d’éliminer les risques perçus liés à l’utilisation de cette technologie à l’avenir, ce qui est d’une importance vitale pour les futurs projets de cosmologie du DOE. »
Il s'agit d'une réalisation importante pour un projet conçu et initié dans le cadre du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du Fermilab en collaboration avec le NSF. NOIRLab groupe de détecteurs. 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.
Contexte historique et évolution technologique
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 leur découverte. Ces dispositifs sont des matrices bidimensionnelles de pixels sensibles à la lumière qui convertissent les photons entrants en électrons. Les CCD classiques sont les premiers capteurs d'images utilisés dans les appareils photo numériques et ils restent la norme pour de nombreuses applications d'imagerie scientifique, comme l'astronomie, bien que leur précision soit limitée par le bruit électronique.
Les cosmologistes cherchent à comprendre la nature mystérieuse de la matière noire et de l'énergie noire en étudiant la répartition des étoiles et des galaxies. Pour ce faire, ils ont besoin d'une technologie de pointe capable de voir des objets astronomiques plus faibles et plus éloignés avec le moins de bruit possible.
Une avancée majeure dans la réduction du bruit avec les capteurs CCD Skipper
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.
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 de lecture total.
Première application astronomique des capteurs CCD Skipper
En 2017, les scientifiques ont été les premiers à utiliser des CCD skipper pour des expériences sur la matière noire telles que SENSEI et OSCURA, mais la présentation récente a montré la première fois que la technologie était utilisée pour observer le ciel nocturne et collecter des données astronomiques.
Les 31 mars et 9 avril, les chercheurs ont utilisé des CCD skipper dans le spectrographe de champ intégral SOAR 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 matière noire. -galaxie ultra-faible dominée. 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.
« 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 Marrufo Villalpando.
Impact et applications futures des CCD Skipper
Les chercheurs analysent actuellement les données de ces premières observations et la prochaine exécution prévue de l'instrument skipper-CCD sur le télescope SOAR est prévue 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.
« De nombreuses décennies se sont écoulées depuis la naissance du skipper, j'ai donc été surpris de voir la technologie reprendre vie », a déclaré Jim Janesick, inventeur du skipper CCD et ingénieur distingué au SRI International, un institut de recherche basé en 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.
Avancées et perspectives d’avenir pour la technologie Skipper CCD
Avec la première démonstration réussie de la technologie skipper-CCD pour l’astrophysique, les scientifiques travaillent déjà à son amélioration. La prochaine génération de CCD skipper, développée par Fermilab et Lawrence Berkeley National Laboratory, est 16 fois plus rapide que les appareils actuels. Ces nouveaux appareils réduiront considérablement le temps de lecture et les chercheurs ont déjà commencé à les tester en laboratoire.
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, recommandés par le récent processus de planification de la physique des particules aux États-Unis. En outre, NASA envisage 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 Fermilab, de l'Université de Chicago, du NOIRLab de la National Science Foundation, du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE et du Laboratoire national d'astrophysique du Brésil.
