電荷耦合器件幫助科學家看到最弱的恒星

本月早些時候，天文學家開始用一種已經存在很長時間的成像設備進行最新的觀測。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，CCD一直是電子產品的主要產品，尤其是在非常敏感的科學儀器中。但它們的組件會產生電噪聲，可以沖刷最敏感的觀察結果。對于天文學家來說，這種噪音使他們的儀器無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，稱為skipper CCD，試圖通過改變CCD的功能操作方式來篩選噪聲。
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，被劃分成像素網格。當攜帶光子撞擊像素時，由于光電效應，它們會產生自由電子。底層讀出組件收集并計算每個像素的電子數。像素中的電子越多，該像素在生成的圖像中就越亮。
“CCD技術在天文學的精度、準確度和靈敏度方面引發了一場革命。”——ALEX DRLICA-WAGNER，費米實驗室
船長CCD改進了讀出組件，使其能夠通過對同一像素進行多次測量來降低噪聲。對于天文學家來說，今年3月開始的SOAR望遠鏡觀測證明了船長CCD的潛力。其他研究人員正在修補船長CCD來尋找暗物質的痕跡。船長CCD在觀察宇宙之外還具有巨大的潛力：醫學成像、放射性同位素檢測和其他類型的精細圖像拍攝都將從這一發展中受益。
傳統的CCD曾經在消費類設備中很常見，包括千禧年之交的數碼相機，但現在它們已經很少見了。更簡單、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業應用，如夜視、醫學 X 射線圖像和天文學，CCD 仍然是首選的成像傳感器。

 SOAR望遠鏡現在具有四個安裝在低溫真空容器內的船長CCD。埃德加·馬魯福·維拉潘多/ASTROSKIPPER 合作
在20世紀的大部分時間里，天文學家主要是通過將玻璃板插入望遠鏡來捕捉圖像，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家——尤其是那些用近紅外、可見光、紫外線和X射線波長對天空進行成像的人——對CCD如此熱衷。
“CCD技術在天文學的精度、準確性和靈敏度方面引發了這場革命，”費米實驗室和芝加哥大學的宇宙學家Alex Drlica-Wagner說，他是參與SOAR觀測的研究人員之一。
使用CCD的研究人員經常通過計算光子撞擊探測器時產生的電子來談論他們所觀察到的。非常亮的光可以為每個像素產生數百個電子。但是天文學家并不總是能夠觀察到非常明亮的物體，微弱的物體可能每個像素只能產生個位數的電子，這可能會迫使天文學家與噪聲作斗爭。
一些噪聲來自地球大氣層等外部來源，但即使是理想環境中的CCD也會從讀出電子設備中捕獲噪聲。雖然工程師們已經制造出了越來越好的CCD，但即使是最好的CCD，每個像素仍然會產生大約2個電子的噪聲，與微弱的天文物體產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像素進行多次測量，然后對這些測量值進行平均。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。“這特別讓你對非常微弱的來源變得更加敏感，”Drlica-Wagner說。
雖然船長CCD并不是一個新想法，但1990年代制造技術的尺寸限制意味著他們創建的讀出組件仍然會產生太多的噪聲。直到 2010 年代，科學家們才真正能夠重新審視這個想法，并擁有數十年的半導體開發經驗。“在過去的幾十年里，制造技術以及用于讀取探測器的電子設備都取得了很大的進步，”Drlica-Wagner說。
天文學家并不總是能夠觀察到非常明亮的物體，而微弱的物體可能每個像素只能產生個位數的電子。
SOAR望遠鏡的儀器包含四個跳躍式CCD，總共有2400萬像素，比它所取代的舊式傳統CCD有所增加，后者包含一個1600萬像素的探測器。這些船長CCD在三月份首次亮相，當時Drlica-Wagner及其同事使用新儀器成功觀測了恒星，星系團和類星體（古老，遙遠，極其明亮的星系）。研究人員本月早些時候開始了一組新的觀察結果。
Drlica-Wagner說，船長CCD可能有一個主要缺點：速度。重復測量需要時間，而船長CCD進行的重復測量越多，單次觀察所需的時間就越多。“這仍然是天文學廣泛使用的障礙，”他說。對他來說幸運的是，費米實驗室等實驗室的工程師已經能夠通過在讀出電路中添加大量放大器來加快圖像拍攝速度。
SOAR并不是唯一一個使用高級CCD的項目。自 2020 年以來，在安大略省北部的一個舊礦井中，亞電子噪聲 Skipper-CCD 實驗儀器 （SENSEI） 探測器一直使用 Skipper CCD 來尋找暗物質的跡象。在SENSEI的案例中，CCD的讀出組件旨在收集由理論上的暗物質粒子落在探測器上產生的電子。2023 年，SENSEI 的物理學家證明，六跳 CCD 陣列可以消除噪聲并檢測數十個亞原子粒子。這些并不是暗物質的直接證據，但這樣的觀察可以幫助物理學家更好地理解暗物質可能是什么樣子。