Teleskop Penelitian Astrofisika Selatan (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 CCD skipper telah memungkinkan pengamatan astronomi yang tepat dan rendah kebisingan, membuka jalan bagi terobosan ilmiah masa depan dalam kosmologi dan seterusnya.
Dengan menggunakan instrumen pada Teleskop Penelitian Astrofisika Selatan (SOAR) 4,1 meter, para peneliti memperoleh spektrum astronomi pertama menggunakan perangkat kopling muatan skipper (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 adalah 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 pencapaian penting untuk proyek yang disusun dan diprakarsai melalui program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium di Fermilab bekerja sama dengan NSF. NOIRLab kelompok detektor. LDRD adalah program nasional yang disponsori oleh DOE yang memungkinkan laboratorium nasional mendanai proyek penelitian dan pengembangan secara internal 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 adalah sensor gambar yang pertama kali digunakan dalam kamera digital, dan tetap menjadi standar untuk banyak aplikasi pencitraan ilmiah, seperti astronomi, meskipun presisinya dibatasi oleh gangguan elektronik.
Para kosmolog berupaya 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 ini tetapi memerlukan waktu lama atau kurang efisien. Jadi, ahli astrofisika harus meningkatkan sinyal — yaitu, dengan menginvestasikan lebih banyak waktu pada teleskop terbesar di dunia — atau mengurangi gangguan elektronik.
CCD Skipper diperkenalkan pada tahun 1990 untuk mengurangi gangguan elektronik ke tingkat yang memungkinkan pengukuran foton individual. CCD ini dilakukan dengan melakukan beberapa pengukuran piksel yang menarik dan melewatkan Strategi ini memungkinkan CCD skipper untuk meningkatkan presisi pengukuran di area gambar yang menarik sekaligus mengurangi waktu pembacaan total.
Penerapan Astronomi Pertama dari CCD Skipper
Pada tahun 2017, para ilmuwan memelopori penggunaan CCD skipper untuk eksperimen materi gelap seperti SENSEI dan OSCURA, tetapi presentasi terkini menunjukkan 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 dalam Spektrograf Medan Terpadu SOAR untuk mengumpulkan spektrum astronomi dari gugus galaksi, dua quasar yang jauh, galaksi dengan garis emisi terang, dan bintang yang berpotensi terkait dengan galaksi ultra-redup yang didominasi materi gelap. Untuk pertama kalinya dalam pengamatan CCD astrofisika, mereka memperoleh derau pembacaan sub-elektron dan menghitung foton individual pada panjang gelombang optik.
“Yang luar biasa adalah bahwa foton-foton ini bergerak ke detektor kami dari objek yang berjarak miliaran tahun cahaya, dan kami dapat mengukur masing-masing secara individual,” kata Marrufo Villalpando.
Dampak dan Aplikasi CCD Skipper di Masa Depan
Para peneliti menganalisis data dari pengamatan pertama ini, dan peluncuran berikutnya yang dijadwalkan untuk instrumen skipper-CCD pada Teleskop SOAR adalah pada bulan Juli 2024.
“Sudah puluhan tahun berlalu sejak nakhoda itu lahir, jadi saya terkejut melihat teknologi itu kembali hidup beberapa dekade kemudian,” kata Jim Janesick, penemu CCD nakhoda dan seorang insinyur terkemuka di SRI International, sebuah lembaga penelitian yang berpusat di California. “Hasil kebisingannya menakjubkan! Saya terjatuh dari kursi saat melihat data yang sangat bersih.”
“Sudah puluhan tahun berlalu sejak nakhoda itu lahir, jadi saya terkejut melihat teknologi itu kembali hidup,” kata Jim Janesick, penemu CCD nakhoda dan seorang insinyur terkemuka di SRI International, sebuah lembaga penelitian yang berpusat di California. “Hasil noise-nya menakjubkan! Saya terjatuh dari kursi saat melihat data noise sub-elektron yang sangat bersih.”
Kemajuan dan Prospek Masa Depan Teknologi Skipper CCD
Dengan keberhasilan pertama demonstrasi teknologi skipper-CCD untuk astrofisika, para ilmuwan telah berupaya untuk memperbaikinya. CCD skipper generasi berikutnya, yang dikembangkan oleh Fermilab dan Lawrence Berkeley National Laboratory, 16 kali lebih cepat dibandingkan perangkat saat ini. Perangkat baru ini akan sangat mengurangi waktu pembacaan, 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 terkini. 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 yang menakjubkan di mana-mana; kegunaannya berkisar dari fisika partikel hingga kosmologi. Ini adalah teknologi yang sangat serbaguna dan berguna.”
Proyek ini merupakan kerja sama 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.
