Jedním z opravdu velkých cílů astrofyzikálního výzkumu je objev planet podobných Zemi, které by mohly hostit život. Ačkoliv se už expertům podařilo u cizích hvězd objevit tisíce exoplanet, většina z těchto objevů byla učiněna pomocí nepřímých metod, tedy zaznamenáním účinků planety na světlo její mateřské hvězdy, než zachycením světla z planety samotné. Kupříkladu, když planeta z našeho pohledu přejde před svou hvězdou, drobně tím poklesne jas dané hvězdy.
Zdroj: https://wp-assets.futurism.com/
Nepřímé metody neumožňují charakterizovat samotnou planetu – teplotu na jejím povrchu, tlak a složení případné atmosféry, či úroveň gravitace. Atmosféry exoplanet mohou obsahovat takzvané biosignatury jako třeba kyslík, vodní páru, nebo oxid uhličitý, které jsou považovány za klíčové ingredience pro podporu života, jak jej známe. Z tohoto důvodu je přímé snímkování exoplanet a charakteristika jejich atmosfér klíčem k pochopení jejich potenciální obyvatelnosti.
Ovšem technické výzvy spojené se snímkováním exoplanet o velikosti Země jsou extrémní. V první řadě bývají takové planety detekovány pouze pozorováním světla mateřské hvězdy, které se odráží od povrchu exoplanet. Typicky se proto jeví jako méně jasné, než hvězdy, kolem kterých krouží. A nejde o nějaký malý rozdíl – takové exoplanety bývají zhruba desetmiliardkrát méně jasné, než jejich hvězdy. Aby toho nebylo málo, do hry ještě vstupují obrovské kosmické vzdálenosti, díky kterým se planety z našeho pohledu pohybují velmi blízko svých hvězd. Oblíbené přirovnání říká, že snímkování exoplanety je podobné, jako kdybyste chtěli objevit na vzdálenost skoro 500 kilometrů světlušku, která poletuje metr od pátracího světlometu.
Do vývoje technologií pro utlumení světla hvězd se investovalo mnoho prostředků, ovšem detekce světla exoplanety je sama o sobě hodně náročná, jelikož se jedná o málo jasné objekty. Jedním ze způsobů kvantifikace slabosti svitu exoplanet, je tok fotonů. Fotony jsou nedělitelné částice světla a jeden foton je nejmenším detekovatelným množstvím světla. Za slunečného dne vstupuje do našeho oka každou sekundu přibližně 10 biliard fotonů. Tok fotonů do vašeho oka z exoplanety o velikosti Země, která krouží kolem blízké hvězdy, by se pohyboval někde mezi 10 a 100 fotony za rok! Teleskopy s velkými zrcadly pomáhají zachytit co nejvíce světla jak jen jde, ovšem potřebné jsou i ultracitlivé detektory – především pak pro infračervené záření, ve kterém mají biosignaturní plyny nejvýraznější projevy. Naneštěstí i ty nejlepší infračervené senzory jsou až příliš zašumělé při detekci tak slabých úrovní záření, jaké vydávají exoplanety.
Zdroj: https://science.nasa.gov/
S podporou astrofyzikální divize NASA, odborných firem a výzkumníků z University of Hawai’i probíhá vývoj nadějné technologie pro detektory, které by splňovaly i ty nejpřísnější požadavky na citlivost. Tyto detektory (označované jako avalanche photodiode arrays, tedy pole lavinových fotodiod) jsou vyráběny ze stejného polovodičového materiálu jako konvenční infračervené senzory. Ovšem nové senzory disponují dodatečnou „lavinovou“ vrstvou, která vezme signál z jediného fotonu a znásobí jej – podobně jako i velkou lavinu může vyvolat malá sněhová koule. Zesílení signálu probíhá ještě předtím, než do procesu vstoupí jakýkoliv šum z detektorů, takže efektivní šum je proporcionálně snížen. Ovšem na vysokých úrovních lavin se fotodiody začínají chovat divně a šum exponenciálně roste, což anuluje jakékoliv výhody zesílení signálu. Nedávno si Donald Hall z University of Hawai’i, který byl ústřední postavou rozvíjející technologie pro infračervenou astronomii, uvědomil potenciál používání lavinových fotodiod pro infračervenou astronomii s ultranízkým šumem při zavedení určitých úprav vlastností materiálu.
Nejnovější senzory benefitují z nového designu, což zahrnuje odstupňovanou polovodičovou pásmovou mezeru (raded semiconductor bandgap), která umožňuje vynikající šumový výkon při mírném zesílení, geometrii pixelů typu mesa, která snižuje elektronické přeslechy, a vyčítací integrovaný obvod, který umožňuje krátké doby vyčítání. „Bylo skutečně náročné zjistit, jak jsou tyto detektory citlivé,“ vzpomíná Michael Bottom, docent z University of Hawai’i a vedoucí vývoje tohoto projektu a dodává: „Naše „světlotěsná“ komora, která byla navržena k vyhodnocení senzorů pro Teleskop Jamese Webba měla být kompletně tmavá. Ovšem když jsme do ní vložili tyto lavinové fotodiody, začali jsme pozorovat průniky světla na úrovni jednoho fotonu za hodinu, což bychom s předchozí generací detektorů nebyli schopni zaznamenat.“
Tento nový design má formát jednoho megapixelu, což je více než desetinásobek předešlých iterací senzoru. Obsahuje také obvody, které umožňují sledovat a odečítat případné elektronické odchylky. Velikost pixelů a řídicí elektronika jsou navíc takové, že by tyto nové senzory mohly být náhradou za nejběžnější infračervené senzory používané na Zemi, což by stávajícím přístrojům poskytlo nové možnosti.
Zdroj: https://assets.science.nasa.gov/
Vloni tým pořídil s těmito detektory první snímky vesmíru. Využil k tomu teleskop o průměru 2,2 metru, který patří University of Hawai’i. „Bylo působivé sledovat lavinový proces při pozorování oblohy. Když jsme zvýšili zisk, viděli jsme, jak se objevuje více hvězd,“ popsal Guillaume Huber, postgraduální student, který pracuje na projektu. „Oblohová demonstrace byla důležitá k prokázání, že detektory mohou v provozním prostředí fungovat správně,“ doplnil Michael Bottom. Podle výzkumného týmu představují sice současné senzory výrazný krok vpřed, ovšem megapixelový formát je stále příliš malý pro mnohé vědecké aplikace – především pro ty, které zahrnují spektrální měření. Úkoly do budoucna proto patří zlepšení rovnoměrnosti detektoru a snížení perzistence. Příští generace senzorů bude čtyřikrát větší a bude splňovat požadavky na velikost pro Habitable Worlds Observatory, další plánovanou vlajkovou misi NASA, jejímž cílem je zobrazovat a charakterizovat exoplanety podobné Zemi.
Přeloženo z:
Zdroje obrázků:
https://wp-assets.futurism.com/2013/04/transit.jpg
