6,5 metro skersmens, James Webb kosminio teleskopo pagrindinis veidrodis fiksuoja daugiau šviesos nei bet kuris teleskopas, kuris kada nors buvo paleistas iš Žemės. Tačiau ne kiekvienas astronomas turi 10 milijardų JAV dolerių išleisti kosminiam teleskopui. Taigi, norėdami sumažinti kosminės astronomijos kainą, mokslininkai iš Kanados nacionalinė mokslinių tyrimų taryba Otavoje ieško būdų, kaip apdoroti žvaigždžių šviesą mažame optiniame luste. Ross Cheriton, ten dirbantis fotonikos tyrinėtojaso jo mokiniai sukūrė ir išbandė CubeSat prototipą su naujos rūšies fotoniniu lustu. Tikslas yra sumažinti kliūtį patekti į astronomijos mokslą naudojant pigesnių erdvėlaivių spiečius.
„Tikimės, kad mažesni kosminiai teleskopai galėtų atlikti didelį mokslą naudojant labai kompaktiškus instrumentus ant lustų“, – sako Cheritonas, kuris taip pat yra susijęs su Quantum ir Nanotechnologijos Tyrimų centras Otavoje.
Fotonikos integriniai grandynai (PIC) informacijai apdoroti naudoja šviesą, o ne elektrą, ir jie plačiai naudojami sveriantis trilijonus ir trilijonus bitų aplink duomenų centrus. Tačiau tik neseniai astronomai pradėjo nagrinėti, kaip juos panaudoti, kad peržengtų ribas to, ko galima sužinoti apie visatą.
Antžeminius teleskopus vargina Žemės atmosfera, kur turbulencija sulieja įeinančią šviesą, todėl ją sunku sufokusuoti į fotoaparato lustą. Kosmose teleskopai gali žiūrėti į ypač silpnus objektus nematomais bangos ilgiais, nepataisydami turbulencijos poveikio. Štai kur Cheriton siekia drąsiai eiti su PIC filtru, kuris aptinka labai subtilius dujų požymius egzoplanetos „užtemimo“, vadinamo tranzitu, metu.
Pagrindinė fotoninių lustų įdėjimo į erdvę motyvacija yra sumažinti komponentų dydį, svorį ir kainą, nes juos galima masiškai gaminti puslaidininkių liejykloje. „Svajonė yra grynai šviesolaidžio ir lusto instrumentas be jokios kitos optikos“, – sako Cheriton. Filtrų, lęšių ir veidrodžių pakeitimas lustu taip pat pagerina stabilumą ir mastelį, palyginti su įprastomis optinėmis dalimis.
CubeSats— nebrangūs, maži ir standartizuoti palydovai — pasirodė esąs ekonomiškas būdas dislokuoti mažus prietaisus. „Kompaktiškas PIC pobūdis puikiai tinka CubeSats tyrinėti ryškias egzoplanetų sistemas. Jamesas Webbas neturi laiko spoksoti“, – sako Cheritonas.
Bendra misijos kaina yra mažesnė nei 1 milijonas USD, palyginti su Webbo 10 milijardų dolerių-Galima CubeSat misija galėtų žiūrėti į žvaigždę kelias dienas ar savaites, kol ji lauks, kol planeta kirs regėjimo lauką. Tada būtų ieškoma nedidelių žvaigždės spektro pokyčių, susijusių su tuo, kaip planetos atmosfera sugeria šviesą – tai yra biologinės kilmės dujų įrodymas.
Mažesnė spektroskopija
Kaip koncepcijos įrodymą, Cheriton vadovavo bakalauro studentų komandai, kuri praleido aštuonis mėnesius IPS projektavimas ir integravimas į užsakymą 3U CubeSat (10 centimetrų x 10 cm x 30 cm) platforma. Jų silicio nitrido fotoninės grandinės jutiklis įrodė, kad gali aptikti CO sugerties ženklus2 įeinančioje šviesoje.
Pagal jų dizainą šviesa, patenkanti į CubeSat kolimuojantį lęšį, sufokusuojama į skaidulą, o tada nustumiama į fotoninį lustą. Jis patenka į išgraviruotą bangolaidžių rinkinį, kuriame yra žiedo rezonatorius. Čia šviesa, turinti konkretų bangos ilgių rinkinį, padidina intensyvumą per keletą kelionių aplink žiedą ir išvedama į detektorių. Kadangi konstruktyviai trukdo tik keli bangos ilgiai – tie, kurie parinkti taip, kad atitiktų dujų sugerties spektrą – žiedas tarnauja kaip šukas panašus filtras. Kai šviesa praeina per žiedo rezonatorių, signalas iš bangolaidžio perduodamas į išvesties skaidulą ir į fotoaparatą, prijungtą prie Raspberry Pi kompiuterio, kad būtų galima apdoroti. Todėl vieno pikselio intensyvumas naudojamas kaip dujų buvimo rodmuo.
Šviesa sklinda per bangolaidį fotoninėje integrinėje grandinėje.Teseract
Kadangi jutiklis pastatytas ant lusto, jį galima multipleksuoti, kad būtų galima stebėti kelis objektus arba vienu metu pajusti skirtingas dujas. Be to, visa šviesa, patenkanti į vieną pikselį, reiškia, kad signalas yra jautresnis nei tradicinis spektrometras, sako Cheriton. Be to, užuot medžiojusi viso spektro smailes, technologija ieško, kaip sugerties spektras atitinka konkrečių dujų spektrą, o tai yra efektyvesnis procesas. „Jei kas nors yra erdvėje, nenorite siųsti gigabaitų duomenų namo, jei jums to nereikia“, – sako jis.
Astrofotoniniam „CubeSat“ kosmoso kelionėms dar toli. Dabartinis dizainas nenaudoja kosmosui tinkamų komponentų. Tačiau Cheriton studentai išbandė jį laboratorijoje dėl raudonos šviesos (635 nm) ir CO2 dujų kameroje. Jie naudojo „antžeminės stoties“ kompiuterį, kad perduotų visas komandas ir gautų visus rezultatus bei stebėtų fotoelektros ir rinkti duomenis iš skrydžio valdymo jutiklių, esančių jų „CubeSat“.
Be to, komanda planuoja išbandyti, ar jų jutiklis gali aptikti deguonį su silicio nitrido lustu, medžiaga, kuri buvo pasirinkta dėl jos skaidrumo dujų 760 nm bangos ilgiui. Sėkmė jiems sudarytų geras sąlygas pasiekti, ką Cheritonas vadina kitu didžiuliu etapu astronomams: ieškoti į žemę panašios planetos su deguonimi.
Darbas buvo pristatytas Optica (buvusi Amerikos optinė draugija) Išplėstinė fotonika konferencijoje liepos mėnesį.
Iš jūsų svetainės straipsnių
Susiję straipsniai visame internete