电荷耦合器件帮助科学家看到最弱的恒星

本月早些时候，天文学家开始用一种已经存在很长时间的成像设备进行最新的观测。南方天体物理研究（SOAR）望远镜位于智利北部的Cerro Pachón山顶，是第一台使用新型、更灵敏的电荷耦合器件（CCD）的望远镜。
几十年来，CCD一直是电子产品的主要产品，尤其是在非常敏感的科学仪器中。但它们的组件会产生电噪声，可以冲刷最敏感的观察结果。对于天文学家来说，这种噪音使他们的仪器无法分辨夜空中最微弱的物体，例如遥远的恒星或古老的星系。新型CCD，称为skipper CCD，试图通过改变CCD的功能操作方式来筛选噪声。
任何CCD的皇冠上的明珠都是它的检测器：一种半导体，通常是硅，被划分成像素网格。当携带光子撞击像素时，由于光电效应，它们会产生自由电子。底层读出组件收集并计算每个像素的电子数。像素中的电子越多，该像素在生成的图像中就越亮。
“CCD技术在天文学的精度、准确度和灵敏度方面引发了一场革命。”——ALEX DRLICA-WAGNER，费米实验室
船长CCD改进了读出组件，使其能够通过对同一像素进行多次测量来降低噪声。对于天文学家来说，今年3月开始的SOAR望远镜观测证明了船长CCD的潜力。其他研究人员正在修补船长CCD来寻找暗物质的痕迹。船长CCD在观察宇宙之外还具有巨大的潜力：医学成像、放射性同位素检测和其他类型的精细图像拍摄都将从这一发展中受益。
传统的CCD曾经在消费类设备中很常见，包括千禧年之交的数码相机，但现在它们已经很少见了。更简单、更便宜的CMOS像素传感器在很大程度上取代了它们在手机摄像头等小工具中的地位。但对于需要最高灵敏度的专业应用，如夜视、医学 X 射线图像和天文学，CCD 仍然是首选的成像传感器。

 SOAR望远镜现在具有四个安装在低温真空容器内的船长CCD。埃德加·马鲁福·维拉潘多/ASTROSKIPPER 合作
在20世纪的大部分时间里，天文学家主要是通过将玻璃板插入望远镜来捕捉图像，然后像胶片一样冲洗它们。即使在最好的夜晚，板片甚至无法捕获10%的入射光子。另一方面，现代 CCD 可以捕获 70% 或 80% 的光子。因此，很容易理解为什么天文学家——尤其是那些用近红外、可见光、紫外线和X射线波长对天空进行成像的人——对CCD如此热衷。
“CCD技术在天文学的精度、准确性和灵敏度方面引发了这场革命，”费米实验室和芝加哥大学的宇宙学家Alex Drlica-Wagner说，他是参与SOAR观测的研究人员之一。
使用CCD的研究人员经常通过计算光子撞击探测器时产生的电子来谈论他们所观察到的。非常亮的光可以为每个像素产生数百个电子。但是天文学家并不总是能够观察到非常明亮的物体，微弱的物体可能每个像素只能产生个位数的电子，这可能会迫使天文学家与噪声作斗争。
一些噪声来自地球大气层等外部来源，但即使是理想环境中的CCD也会从读出电子设备中捕获噪声。虽然工程师们已经制造出了越来越好的CCD，但即使是最好的CCD，每个像素仍然会产生大约2个电子的噪声，与微弱的天文物体产生的信号相当或更高。
在 1990 年代初期，工程师提出了一种解决方案：修改读出组件以对每个像素进行多次测量，然后对这些测量值进行平均。从理论上讲，这样做可以在不需要修改检测器的情况下降低读出噪声：CCD的灵敏度增加了重复测量次数的平方根的系数。“这特别让你对非常微弱的来源变得更加敏感，”Drlica-Wagner说。
虽然船长CCD并不是一个新想法，但1990年代制造技术的尺寸限制意味着他们创建的读出组件仍然会产生太多的噪声。直到 2010 年代，科学家们才真正能够重新审视这个想法，并拥有数十年的半导体开发经验。“在过去的几十年里，制造技术以及用于读取探测器的电子设备都取得了很大的进步，”Drlica-Wagner说。
天文学家并不总是能够观察到非常明亮的物体，而微弱的物体可能每个像素只能产生个位数的电子。
SOAR望远镜的仪器包含四个跳跃式CCD，总共有2400万像素，比它所取代的旧式传统CCD有所增加，后者包含一个1600万像素的探测器。这些船长CCD在三月份首次亮相，当时Drlica-Wagner及其同事使用新仪器成功观测了恒星，星系团和类星体（古老，遥远，极其明亮的星系）。研究人员本月早些时候开始了一组新的观察结果。
Drlica-Wagner说，船长CCD可能有一个主要缺点：速度。重复测量需要时间，而船长CCD进行的重复测量越多，单次观察所需的时间就越多。“这仍然是天文学广泛使用的障碍，”他说。对他来说幸运的是，费米实验室等实验室的工程师已经能够通过在读出电路中添加大量放大器来加快图像拍摄速度。
SOAR并不是唯一一个使用高级CCD的项目。自 2020 年以来，在安大略省北部的一个旧矿井中，亚电子噪声 Skipper-CCD 实验仪器 （SENSEI） 探测器一直使用 Skipper CCD 来寻找暗物质的迹象。在SENSEI的案例中，CCD的读出组件旨在收集由理论上的暗物质粒子落在探测器上产生的电子。2023 年，SENSEI 的物理学家证明，六跳 CCD 阵列可以消除噪声并检测数十个亚原子粒子。这些并不是暗物质的直接证据，但这样的观察可以帮助物理学家更好地理解暗物质可能是什么样子。