Jsme ve vesmíru sami? Tato věky trvající otázka inspiruje už dlouhá století vědecký výzkum. Pokud se život na jiných planetách vyvíjí podobně tomu pozemskému, dokáže projevit svou přítomnost v atmosférických spektrálních stopách zvaných biosignatury. Jedná se o absorpční a emisní čáry ve spektru produkované kyslíkem, oxidem uhličitým, metanem, či dalšími molekulami, které mohou naznačovat podmínky, které mohou podporovat život. Budoucí astrofyzikální mise od NASA, teleskop HWO (Habitable Worlds Observatory) bude pátrat po biosignaturách v ultrafialovém, viditelném a blízkém infračerveném záření. V těchto vlnových délkách bude provádět spektrální měření atmosfér exoplanet, ve kterých budu vědci hledat důkazy o tom, že by život mohl existovat ještě někde ve vesmíru.

HWO bude potřebovat technologie pro vysoce citlivé detektory, aby mohl detekovat slabé biosignatury ze vzdálených exoplanet. Snímkovací senzory SPSCMOS (Single-Photon Sensing Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) vypadají jako nadějná technologie pro tuto aplikaci. Tyto na křemíku založené senzory dokáží detekovat a rozlišit jednotlivé fotony s vlnovou délkou viditelného světla pomocí plovoucího difúzního snímacího uzlu s nízkou kapacitou a vysokým ziskem. Jejich další výhodou je, že fungují v širokém rozsahu teplot včetně pokojové. Navíc mají nulový vyčítací šum, jsou odolné vůči kosmickému záření a generují velmi málo nežádoucích signálů, jako je temný proud. Po ochlazení na 250 K spadne temný proud na pouhý jeden elektron za půl hodiny. Pokud je vyčítací šum, či temný proud moc vysoký, senzor nedokáže zachytit slabé signály, které biosignatury vytvářejí.

Výzkumný tým z Center for Detectors (CfD) na Rochester Institute of Technology (RIT) urychluje připravenost těchto SPSCMOS senzorů pro použití na kosmických misích. Pomáhá mu k tomu program pro dozrávání technologií detektorů, který se financuje z prostředků NASA v rámci výzev Strategic Astrophysics Technology and Early Stage Innovations. Tyto vývojové programy zahrnují několik klíčových cílů:

• Charakterizovat chování detektorů ve vlastnostech jako je temný proud, kvantová efektivita a vyčítací šum před, během a po vystavení vysokoenergetickému záření.
• Vyvinout nové vyčítací modely pro tyto senzory, aby se omezily účinky krátko- i dlouhodobého poškození vlivem záření.
• Navrhnout novou verzi senzoru pro blízkou infračervenou oblast s využitím TCAD (Technology Computer-Aided Design – Technologie počítačem podporovaného navrhování) programu.

Senzory SPSCMOS fungují podobně jako tradiční snímkovací CMOS senzory, ale jsou optimalizované pro detekci jednotlivých fotonů. Právě to je klíčovou schopností pro ultracitlivá kosmická pozorování – třeba jako je měření plynů v atmosférách exoplanet. Přicházející fotony vstoupí do senzoru a vytvoří v materiálu senzoru volné náboje (elektrony). Tyto náboje se shromažďují v paměťové jamce pixelu a nakonec se přenášejí do komponenty s nízkou kapacitou zvané plovoucí difúzní (FD – floating diffusion) snímací uzel, kde každý volný náboj způsobuje velký a rozlišený posun napětí. Tento posun napětí se poté digitalizuje, aby bylo možné signál přečíst.

Experimenty, které měří vlastnosti senzorů v prostředí srovnatelném s kosmickým, využívají vakuovou termosku a tepelně regulovaný držák, který umožňuje přesné nastavení teploty senzorů. Termoska umožňuje testy v podmínkách, které odpovídají očekávanému teplotnímu prostředí přístroje na HWO. Je možné i chladit senzor a jeho obvody na čipu na teploty nižší, než jaké byly dosud zaznamenány při testování této řady detektorů. Tyto zkoušky jsou kriticky důležité pro odhalení výkonnostních omezení s ohledem na metriky detektoru, jako je temný proud, kvantová účinnost a vyčítací šum. Se změnou teploty se mohou měnit také elektrické vlastnosti obvodů na čipu, což ovlivňuje čtení náboje v pixelu.

Radiačně bohaté prostředí pro HWO bude na senzoru způsobovat dočasné i trvalé efekty. Tyto efekty mohou poškodit signál změřený pixelem, narušit taktování senzoru a digitální logiku. Mohou také způsobit kumulativní poškození, které postupně degraduje vlastnosti senzoru. K omezení ztráty citlivosti detektoru v průběhu životnosti celé mise, pracuje RIT tým na vývoji nových vyčítacích režimů, které nejsou dostupné v komerčních CMOS senzorech. Tyto přizpůsobené režimy vzorkují signál v průběhu času (akvizice „rampy“) a umožňují tak detekci a odstranění artefaktů kosmického záření. V jednom režimu, když systém identifikuje artefakt, segmentuje signálovou rampu a selektivně průměruje segmenty, aby rekonstruoval původní signál – a zachoval tak vědecká data, která by jinak byla ztracena. Kromě toho systém akvizice dat v reálném čase monitoruje spotřebu energie detektoru, která se může měnit v důsledku hromadění poškození během mise. Systém akvizice zaznamenává tyto změny a komunikuje s elektronikou detektoru, aby upravil napětí a udržel nominální provoz. Tyto strategie zmírňování radiačních škod budou vyhodnoceny během řady testovacích programů v pozemních radiačních zařízeních. Testy pomohou identifikovat jedinečné mechanismy selhání, které mají vliv na technologii SPSCMOS, když je vystavena radiaci odpovídající dávce očekávané pro HWO.

Zatímco existující senzory SPSCMOS jsou limitovány na detekci viditelného světla, což je dáno jejich návrhem založeným na křemíku, tým RIT vyvíjí vůbec první jednofotonovou fotodiodu pro blízké infračervené záření, která bude založena na architektuře použité v senzorech pro viditelné světlo. Návrh fotodiody začíná jakožto simulace v softwaru TCAD, kde se modelují optické a elektrické vlastnosti CMOS architektury s nízkou kapacitancí. Model simuluje na světlo citlivé obvody s využitím jak křemíku, tak i materiálu MCT alias HgCdTe, který tvoří rtuť, kadmium a tellur. Cílem simulací je určit, jak dobře by pixel měřil fotogenerovaný náboj, pokud by jej fyzicky vyrobil polovodič. Má 2D a 3D struktury zařízení, které převádějí světlo na elektrický náboj, a obvody pro řízení přenosu náboje a čtení signálu pomocí virtuálních sond, které mohou měřit proud a elektrický potenciál. Tyto simulace pomáhají vyhodnotit klíčové mechanismy, jako je přeměna světla na elektrony, ukládání a přenos elektronů a výstupní napětí vzorkovacího obvodu fotodiody.

Kromě laboratorních zkoušek se projekt zaměřuje také na vyhodnocení vlastností na pozemních teleskopech. Tyto testy umožňují senzorům pozorovat astronomické cíle, které nemohou být plně nasimulovány v laboratoři. Hvězdná pole a rozptýlené mlhoviny jsou výzvou pro celý signálový řetězec detektoru v reálných podmínkách oblohy se slabým světleným tokem, aberacemi závislými na poli a měnícími se podmínkami viditelnosti. Tato pozorování pomáhají identifikovat omezení výkonu, která nemusí být zřejmá při kontrolovaných laboratorních měřeních. V lednu 2025 se PhD student Edwin Alexani rozhodl použít kameru založenou na senzoru SPSCMOS na C.E.K. Mees Observatory ve státě New York. Pozorovali s ní hvězdokupu M36, aby vyhodnotili fotometrickou přesnost senzoru, ale i mlhovinu Bublina (NGC 7635) ve frekvenčně úzkém H-alfa filtru. Změřený temný proud a vyčítací šum byly ve shodě s laboratorními výsledky.

Tým pozoroval fotometrické referenční hvězdy, aby odhadl kvantovou účinnost (QE – quantum efficiency) neboli schopnost detektoru přeměnit fotony na signál. Vypočtená QE se shodovala s laboratorními měřeními, a to i přes rozdíly v kalibračních metodách. Tým také pozoroval družici STARLINK-32727, která prošla zorným polem teleskopu a změřil zanedbatelný zbytkový náboj – zbytkový signál, který může zůstat v pixelech detektoru po vystavení jasnému zdroji. Ačkoli družice krátce vytvořila jasnou čáru přes několik pixelů v důsledku odraženého slunečního světla, průměrný latentní náboj v postižených pixelech byl pouze 0,03 e^–/pix – což je výrazně méně, než šum pozadí oblohy i šum snímače. S tím, jak NASA pokračuje ve vyzrávání mise HWO, technologie SPSCMOS slibuje, že se stane prvkem, který mění pravidla hry ve výzkumu exoplanet i obecné astrofyzice. Tyto senzory obohatí současné schopnosti detekovat a analyzovat vzdálené světy, přivedou nás o krok blíže k odpovědi na jednu z nejpalčivějších otázek lidstva: Jsme sami?

Přeloženo z:
https://science.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://assets.science.nasa.gov/…/science-enabling-technology/technology-highlights/2025/SPSCMOSsensor1.jpg
https://assets.science.nasa.gov/…/technology-highlights/2025/SPSCMOS-darkcurrent.jpg
https://assets.science.nasa.gov/…/technology-highlights/2025/SPSCMOS-image.jpg
https://assets.science.nasa.gov/…/technology-highlights/2025/M36-rotated_with_arrows_scale_white.jpg