Холодный подсчет: чувствительные детекторы помогут уточнить звездные карты
Российские ученые разработали уникальные детекторы, которые работают при температуре близкой к абсолютному нулю — менее 1 Кельвина. Благодаря этому устройство способно «чувствовать» малейшее тепловое излучение, которое исходит от всех объектов во Вселенной. Разработку будут устанавливать на радиотелескопы, чтобы изучать самые удаленные и холодные области космоса. По мнению экспертов, изобретение отлично подойдет для применения на перспективной российской орбитальной обсерватории, которую планируют запустить в 2030 году. Установленные на ней датчики смогут дать множество данных о происхождении звезд и жизни.
Абсолютный ноль
Специалисты НИТУ МИСИС создали инновационные детекторы, работающие вблизи абсолютного нуля температур, ниже 1 Кельвина, и за счет этого способные улавливать малейшее термодинамическое излучение, которое испускают все космические объекты. Невидимые глазу микроволны в радиочастотной части спектра несут значительно больше информации о том, из чего состоит Вселенная. Поэтому их можно изучать не только по их оптическому изображению, пояснили разработчики датчиков.
С помощью этих сверхпроводящих устройств ученые смогут составить более полные и точные карты небесных объектов. Изобретение предназначено для установки на радиотелескопы.
— Наиболее востребованы в радиоастрономии сверхчувствительные охлаждаемые детекторы. Используя самые короткие волны, появляется возможность создавать устройства для радионаблюдений с высоким угловым разрешением на небольших радиотелескопах, что позволяет изучать дальнюю Вселенную, исследовать химические вещества на экзопланетах — кислород, воду и т.д., — сказал заведующий лабораторией криоэлектронных систем НИТУ МИСИС Сергей Шитов.
Заведующий лабораторией криоэлектронных систем НИТУ МИСИС Сергей Шитов
Датчики улавливают терагерцовые волны, которые занимают положение между радиоволнами и видимым светом. Даже если сигналы слабые, их можно различить на высоких частотах, так как в этом диапазоне во Вселенной, согласно закону Планка, меньше теплового шума. Охлаждаемые детекторы со сверхпроводимостью лучше всего подходят для улавливания тепловых сигналов. Принцип работы устройств основан на том, что термодинамическое излучение фокусируется и разогревает сверхпроводящий микромостик, что заставляет его перейти из сверхпроводящего в резистивное состояние.
— Терагерцовый диапазон позволяет исследовать области, которые ранее были недоступны для оптических наблюдений. Можно изучать такие астрономические объекты, как звезды, галактики и межзвездные молекулы, ведь терагерцовые волны могут проникать через некоторые непрозрачные вещества, например, через пыль. С помощью нового подхода к конструкции микросхем мы смогли решить проблему теплопритока к охлаждаемым частям приемного устройства, что улучшает общую эффективность детектора, — сказал инженер-исследователь лаборатории криоэлектронных систем МИСИС Никита Руденко.
Инженер-исследователь лаборатории криоэлектронных систем МИСИС Никита Руденко
В микросхеме детектора заложена чувствительность к очень малым энергиям сигнала, который после получения преобразуется в магнитное поле. По сравнению с традиционными устройствами новое может работать с предельно возможной чувствительности и оптимальной функциональностью. Несколько детекторов можно объединить в матрицу, чтобы проводить одновременные наблюдения на разных частотах или получать изображения, похожие на фотографии. Матричное решение значительно увеличит скорость и объем собираемых данных, что особенно полезно для детальных астрономических исследований.
Куда устанавливать детекторы
Новые детекторы очень нужны российским астрономам, например, для использования в спутниковых телескопах, таких как «Миллимитрон», запуск которого планируется в 2030 году, рассказал «Известиям» старший научный сотрудник Государственного астрономического института Владимир Сурдин.
— Подобные устройства нам совершенно необходимы, потому что у нас есть очень важный, выше мирового уровня, проект космической обсерватории «Миллимитрон», где мы могли бы их применить. С помощью детекторов мы сможем заглянуть в недра темных и непрозрачных для света облаков межзвездного вещества. В нем рождаются звезды и планеты, но они непроницаемы для света, из них выходит только это излучение, которое нам раньше нечем было принимать. Но теперь есть. Американцы три года назад запустили спутниковый телескоп «Джеймс Вебб», который приближается к этому диапазону, но всё же не умеет его регистрировать, а нам это удалось, — сказал Владимир Сурдин.
Это уникальный датчик для России. В мире есть его аналоги, но у них не настолько хорошие характеристики, пояснил «Известиям» исполняющий обязанности директора Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Вадим Крушинский. Однако преимущества зарубежной технологии в том, что она уже применяется на практике на ряде телескопов.
— В нашей стране всё сложно с потребителями этих детекторов, то есть субмиллиметровыми радиотелескопами, на которых можно использовать датчики. Пока в России нет ни одного действующего. И ближайший такой инструмент — это «Миллимитрон». Но, например, телескоп «Спектр УФ» обещают запустить уже около 20 лет и всё еще этого не сделали. Если разработку установят на «Миллимитрон», то она идеальной подойдет под то, что ему необходимо. Главное, чтобы к моменту запуска детектор был готов и апробирован, — сказал Вадим Крушинский.
Благодаря применению датчика астрономы смогут узнать, что расположено в самых холодных областях Вселенной — газопылевых облаках с очень низкими температурами в центре. Пыль экранирует практически весь диапазон электромагнитных волн, кроме микроволнового. Так можно увидеть, как образуются звезды, пока они еще холодные. При этом ученые смогут узнать, что происходит на пылинках, когда к ним прилипают молекулы газа и взаимодействуют между собой, что может быть причиной возникновения протоорганических молекул и, следовательно, жизни, подчеркнул специалист.
