最近，研究人員利用4.1 公尺高的南方天體物理研究望遠鏡上的Skipper 電荷耦合元件(CCD)，首次利用這種技術捕捉了天體光譜。近來，CCD 跳板技術的進步實現了精確、低噪音的天文觀測，為未來宇宙學及其他領域的科學突破鋪平了道路。

智利Cerro Pachon 上的南方天體物理研究（SOAR）望遠鏡。資料來源：NOIRLab

研究人員利用4.1 公尺長的南方天體物理研究（SOAR）望遠鏡上的一台儀器，首次獲得了使用鰭狀電荷耦合元件（CCD）的天文光譜。

6月16日，芝加哥大學物理學博士候選人、費米實驗室能源部研究生儀器研究獎得主埃德加-馬魯佛-比利亞潘多在日本舉行的光電儀器工程師協會天文望遠鏡與儀器會議上介紹了這項成果。

美國能源部費米國家加速器實驗室的宇宙學家亞歷克斯-德里卡-瓦格納（Alex Drlica-Wagner）領導了這個項目，他說：”這是Skipper-CCD技術的一個重要里程碑。這有助於降低未來使用這種技術的風險，這對能源部未來的宇宙學計畫至關重要。

這是費米實驗室與美國國家科學基金會NOIRLab探測器小組合作，透過實驗室指導研發計畫構思和啟動的一個計畫所取得的重要成就。實驗室指導研發計劃是由能源部贊助的國家計劃，允許國家實驗室在內部資助研發項目，探索新的想法或概念。

CCD 於1969 年在美國發明，四十年後，科學家們因其成就獲得了諾貝爾物理學獎。這種設備是由感光像素組成的二維陣列，可將進入的光子轉換成電子。傳統的CCD 是最早用於數位相機的影像感測器，儘管其精度受到電子雜訊的限制，但仍是天文學等許多科學成像應用的標準。

宇宙學家試圖透過研究恆星和星系的分佈來了解暗物質和暗能量的神秘本質。為此，他們需要先進的技術，以盡可能少的噪音看到更暗、更遙遠的天體。

現有的CCD 技術可以進行這些測量，但耗時較長或效率較低。因此，天文物理學家必須要麼增加訊號–即在世界上最大的望遠鏡上投入更多時間–要麼減少電子雜訊。

Skipper CCD 於1990 年推出，旨在將電子雜訊降低到可以測量單一光子的水平​​。為此，它們對感興趣的像素進行多次測量，並跳過其餘像素。這種策略使Skipper CCD 能夠提高對影像感興趣區域的測量精度，同時縮短總讀出時間。

2017 年，科學家率先在SENSEI和OSCURA等暗物質實驗中使用了skipper CCD，但最近的演示則是首次將該技術用於觀測夜空和收集天文數據。

3月31日和4月9日，研究人員利用SOAR積分場攝譜儀中的Skipper CCD收集了一個星系團、兩顆遙遠類星體、一個具有明亮發射線的星系和一顆可能與暗物質主導的超淡星係有關的恆星的天文光譜。在天文物理CCD 觀測中，他們首次實現了亞電子讀出噪聲，並對光學波長的單一光子進行了計數。

Marrufo Villalpando 說：”令人難以置信的是，這些光子從數十億光年外的天體傳送到我們的探測器，而我們可以單獨測量每一個光子。”

研究人員正在分析這些首次觀測的數據，SOAR 望遠鏡上的skipper-CCD 儀器的下一次運行計劃是在2024 年7 月。

Skipper CCD 的發明者、加州研究機構SRI International 的傑出工程師Jim Janesick 說：”自從Skipper 誕生以來，幾十年過去了，所以我很驚訝地看到這項技術再次煥發生機。”噪音結果令人驚嘆！當我看到非常乾淨的亞電子噪音數據時，我從座位上站了起來。 “

隨著用於天文物理學的鰭狀CCD 技術的首次成功演示，科學家們已經開始著手改進該技術。費米實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室開發的下一代鰭狀CCD 比目前的設備快16 倍。這些新設備將大大縮短讀出時間，研究人員已經開始在實驗室進行測試。

下一代Skipper CCD 已被確定用於未來的能源部宇宙學工作，例如最近美國粒子物理學規劃過程建議的光譜實驗DESI-II 和Spec-S5。此外，美國國家航空暨太空總署（NASA）正在考慮為即將建立的宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory）配備跳線式CCD，該天文台將試圖探測類太陽恆星周圍的類地行星。

“我很期待看到這些探測器的最終用途，”2019 年加入該計劃的Marrufo Villalpando 說。 “人們正在用它們做各種令人驚嘆的事情；它們的用途從粒子物理學到宇宙學都有。這是一項用途廣泛、非常有用的技術。”

該計畫由費米實驗室、芝加哥大學、美國國家科學基金會NOIRLab、美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和巴西國家天文物理實驗室的物理學家、天文學家和工程師密切合作完成。

編譯自/ scitechdaily