復活技術用於計數遙遠星系中的單個光子

研究人員使用位於 4.1 米南方天體物理研究 (SOAR) 望遠鏡上的儀器，首次獲得了使用跳躍電荷耦合器件 (CCDs) 的天文光譜。跳躍 CCD 可以達到非常低的噪聲水平，這有助於天文學家觀測遙遠的星系。

「我們之前曾為暗物質探測開發了跳躍 CCD，而這是該技術首次成功應用於成像微弱的天文物體。」美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室物理部高級工程師 Steve Holland 說。部署在 SOAR 的四個科學級跳躍 CCD 都是由伯克利實驗室設計和處理的，充分利用了實驗室在 CCD 技術方面的豐富專業知識。這包括為暗能量照相機、暗能量光譜儀以及用於暗物質實驗的跳躍 CCD 設計開發「紅敏 CCD」。

3 月 31 日和 4 月 9 日，研究人員使用跳躍 CCD 從星系團、兩個遙遠的類星體、一個具有明亮發射線的星系以及一個可能與暗物質主導的超微弱星系相關的恆星收集天文光譜。在天文 CCD 觀測中首次實現了亞電子讀出噪聲，並計數了光學波長下的單個光子。結果於 6 月 17 日在日本舉行的國際光學工程學會 (SPIE) 天文望遠鏡 + 儀器會議上發表。

「這是跳躍 CCD 技術的一個重要里程碑。」美國能源部費米國家加速器實驗室的宇宙學家、芝加哥大學副教授 Alex Drlica-Wagner 領導了該項目，他說：「這有助於消除未來使用該技術的感知風險，這對於未來的 DOE 宇宙學項目至關重要。」

這項成就對於一個項目來說非常重要，該項目是由費米實驗室的實驗室主任研究與開發項目與 NFS 的 NOIRLab 探測器組合作構思和啟動的。LDRD 是一個由 DOE 贊助的國家級項目，它允許國家實驗室內部資助研究和開發項目，以探索新的想法或概念。

CCD 於 1969 年在美國發明，四十年後，科學家因其成就獲得了諾貝爾物理學獎。這些設備是光敏像素的二維陣列，可以將入射光子轉換為電子。傳統的 CCD 是最早用於數位相機的圖像感測器，它們仍然是許多科學成像應用（如天文學）的標準，儘管它們的精度受到電子噪聲的限制。

宇宙學家通過研究恆星和星系的分布來了解暗物質和暗能量的神秘性質。要做到這一點，他們需要能夠以盡可能少的噪聲觀察更微弱、更遙遠的天文物體的先進技術。

現有的 CCD 技術可以進行這些測量，但需要很長時間或效率較低。因此，天體物理學家必須增加信號（例如，通過在世界上最大的望遠鏡上投入更多時間）或減少電子噪聲。

跳躍 CCD 於 1990 年被引入，以將電子噪聲降低到允許測量單個光子的水平。它們通過對感興趣的像素進行多次測量並跳過其餘像素來實現這一點。這種策略使跳躍 CCD 能够提高圖像感興趣區域測量的精度，同時減少總讀出時間。

2017 年，科學家率先將跳躍 CCD 用於暗物質實驗，例如 SENSEI 和 OSCURA，但今天的報告顯示，該技術首次用於觀測夜空並收集天文數據。

「令人難以置信的是，這些光子從數十億光年之外的天體傳播到我們的探測器，我們可以單獨測量每一個光子。」芝加哥大學物理學博士生、費米實驗室 DOE 畢業生儀器研究獎學金獲得者 Edgar Marrufo Villalpando 在報告中說道。

研究人員正在分析這些首次觀測的數據，這些觀測使用了由國家天體物理實驗室建造的 SOAR 積分場單元光譜儀 (SIFS)。跳躍 CCD 儀器在 SOAR 望遠鏡上的下一次預定運行時間為 2024 年 7 月。

「跳躍 CCD 誕生已經幾十年了，所以看到這項技術在幾十年後再次煥發生機，我很驚訝。」跳躍 CCD 的發明者、位於加州的研究機構 SRI International 的傑出工程師 Jim Janesick 說。「噪聲結果令人驚嘆！當我看到非常乾淨的亞電子噪聲數據時，我從椅子上摔下來了。」

隨著跳躍 CCD 技術在天文物理學中的首次成功演示，科學家們已經開始改進它。由伯克利實驗室和費米實驗室開發的下一代跳躍 CCD 比目前的設備快 16 倍。稱為「多放大器感測 (MAS)」CCD 的更快 CCD 的原型已經作為由伯克利實驗室物理學家 Julien Guy 領導的 LDRD 的一部分成功測試。

「Jim Janesick 在我們伯克利實驗室 CCD 開發的早期階段提供了巨大的幫助，看到 Jim 發明的跳躍 CCD『復活』並與完全耗盡的紅敏 CCD 合併，令人興奮。」Holland 說。伯克利實驗室的 CCD 工作正式始於 1995 年的 LDRD，由 Saul Perlmutter 領導，他後來獲得了諾貝爾物理學獎。

下一代跳躍 CCD 已被確定用於未來的 DOE 宇宙學工作，例如最近的美國粒子物理學規劃過程推薦的光譜實驗 DESI-II 和 Spec-S5。此外，美國國家航空航天局正在考慮將跳躍 CCD 用於即將到來的宜居世界天文台，該天文台將試圖探測類太陽恆星周圍的類地行星。

「我期待看到這些探測器最終會應用在哪裡。」2019 年加入該項目的 Marrufo Villalpando 說。「人們將它們用於各個領域的令人驚嘆的事情；它們的用途從粒子物理學到宇宙學。這是一項用途廣泛且非常有用的技術。」

該項目是伯克利實驗室、費米實驗室、芝加哥大學、國家科學基金會的 NOIRLab 和巴西國家天體物理實驗室的物理學家、天文學家和工程師之間的緊密合作。

---

洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。