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Nuevo detector óptico podría revolucionar la astronomía
Los físicos de Stanford han desarrollado un nuevo detector óptico tan sensible que puede reloj de la llegada de una sola partícula de luz y medir su energía con una precisión excepcional.Cuando se aplica a la luz procedente de objetos celestes, la capacidad del dispositivo para medir directamente la ubicación, la hora de llegada, y la energía de los fotones individuales pueden tener un impacto revolucionario en la astronomía óptica, dicen sus inventores, Stanford, Profesor de Física Blas Cabrera y su equipo de investigación.
No sólo puede esta medida detector de todos los atributos importantes de un fotón individual, pero puede hacerlo por todas las partes infrarrojos, luz visible y ultravioleta del espectro, el informe de los físicos en la edición del 10 de agosto de la revista Applied Physics Letters.
Dos pequeños cilindros blanco, sentados en la plataforma horizontal son nuevos detectores ópticos tan sensibles que pueden medir el calor de un solo fotón que se han desarrollado en el laboratorio de Física Blas Cabrera. Los detectores están conectados a una fuente de luz por fibras ópticas. Debido a que requieren una temperatura extremadamente baja para operar, que se sumergen en un baño de helio líquido.
El sensor de base, llama superconductor de sensores de transición (TES), fue inventado con apoyo del Departamento de Energía como parte de un experimento de física llamado Cryogenic Dark Matter Search y patentado por Stanford en 1997. El experimento está siendo operado en el campus y afecta a más de 40 científicos de ocho instituciones, Stanford, Universidad de California-Berkeley, Universidad de California en Santa Bárbara, Case Western Reserve University, Universidad de Santa Clara, San Francisco State University, Lawrence Berkeley National y de laboratorio Fermilab.
El sensor es un elemento crítico en un nuevo detector diseñado para detectar las partículas elementales llamadas WIMP. Estos WIMP han sido propuestas como una posible explicación de la masa perdida en el universo. El análisis de la rotación de las galaxias visibles han convencido a los científicos que tanto como 50 por ciento de la materia que contienen las galaxias debe ser invisible a los telescopios. Aunque WIMPs debería ser prácticamente invisibles, los científicos calculan que en ocasiones deben sacudir a los núcleos de material cristalino, y los sensores de TES se han desarrollado para detectar el calor producido por tales interacciones.
La versión nueva óptica de TES, desarrollado con el apoyo de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, se compone de los cuadrados de película de tungsteno que son de 20 micrones (un ancho de cabello humano) en un lado. Cuando las hojas se enfría a una temperatura de 80 milésimas de grado sobre el cero absoluto, el volframio se convierte en superconductor, capaz de transportar la corriente eléctrica sin resistencia. Tungsten transición entre el metal común y superconductor es excepcionalmente aguda, los cambios tan extremadamente pequeñas en la temperatura del material dan lugar a grandes cambios en sus propiedades eléctricas.
"La transición de resistencia Sharp hecho potencialmente un calorímetro extremadamente sensibles", dice Cabrera, "pero era muy difícil que lo mantenga dentro del rango estrecho de temperatura necesarios."
En 1994, Cabrera y Kent, Irwin, que se encuentra ahora en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, resuelto el problema del control de los préstamos por una técnica que se utiliza ampliamente en el diseño de amplificadores estéreo: un voto negativo. Se coloca el sensor en un circuito especial que produce una débil corriente eléctrica que mantiene automáticamente el material a su temperatura de transición crítica. El sensor se enfría ligeramente por debajo de la temperatura de transición y de la corriente eléctrica eleva su temperatura hasta el valor crítico. Cuando la energía de un fotón individual alcanza el tungsteno, que se calienta, los electrones en el material. Este calentamiento produce un ligero aumento en la resistencia eléctrica de la película. La mayor resistencia, a su vez, provoca una disminución de la calefacción eléctrica que es exactamente igual a la cantidad de energía que el fotón depositado. Esto no sólo mantener la película a la temperatura correcta, pero también da a los científicos una medición precisa de la energía del fotón y su hora de llegada.
Los nuevos sensores tienen un número de usos potenciales. Irwin y sus colegas en el NIST ha personalizado TES detectores para uso en un espectrómetro de rayos X. Utilizando esta tecnología, que han creado la más alta resolución, espectrómetro de alta energía en el mundo. La industria de semiconductores está muy interesado en utilizar este instrumento para localizar la contaminación de superficie de pequeña escala que es un obstáculo a la continua miniaturización de los circuitos integrados. Según los planes actuales, la X de la próxima generación de satélites de rayos, llamado Constellation-X, incluirá una espectrómetro TES para ayudar en la identificación de los compuestos químicos que forman las nubes de gas que flotan entre las estrellas y galaxias.
Una de las aplicaciones más excitantes para los sensores podrían provenir de montarlos en los telescopios ópticos actuales. "Al proporcionarnos información acerca de la energía de cada fotón y el momento en que llega, estos detectores pueden proveer información importante acerca de algunas de las cuestiones clave en la astronomía", dice el Profesor de Física Roger Romani. Está trabajando con Cabrera y estudiantes de posgrado Aaron Miller, Tali Figueroa y Sae Woo Nam en una aplicación de prueba del sistema en el telescopio de 24-pulgadas estudiante en Stanford este otoño.
En los últimos 25 años, los astrónomos han convertido sus telescopios de las películas fotográficas de detectores CCD electrónicos similares a los utilizados en cámaras de video. Esta conversión se ha incrementado el poder de los telescopios de 30 a 100 veces. Pero, como el cine, los CCD sólo proporcionan información sobre la posición de los fotones. Como con el ojo humano o una videocámara, muchos fotones que pasa por varios filtros son necesarios para obtener una estimación aproximada del color o de energía promedio. Más complicados sistemas electrónicos, llamados microchanneltrons, puede obtener información sobre los tiempos de llegada de fotones, pero no sus energías.
Actualmente, los físicos sólo se puede hacer TES detectores con unos pocos píxeles. Aún con esta limitación, sin embargo, deben ser capaces de hacer significativos nuevas mediciones de variables en el tiempo los fenómenos cósmicos, como los púlsares y el gas se alimentan de agujero negro, Romani, dice.
Una vez que cuenten con un conjunto rudimentaria TES acoplada al telescopio pequeño de estudiantes de Stanford, los científicos harán observaciones de prueba de gran alcance en el pulsar de la Nebulosa del Cangrejo. Un púlsar es una estrella de neutrones de rotación rápida que emite ondas de radio con reloj-como la regularidad. Al registrar la forma en que la energía de la luz visible desde el púlsar varía en escalas de tiempo tan corto como una milésima de segundo, los físicos esperan obtener nuevos conocimientos sobre la cuestión pendiente de las estrellas de neutrones ¿Cómo ganarle a producir luz óptica. Al examinar cómo la distorsión de los pulsos de luz varían en las distintas energías, también podría ser posible ver la evidencia de la torsión relativista del espacio que debe tener lugar en las proximidades de la estrella, Romani especula.
Si el experimento con el pequeño telescopio es un éxito, los científicos esperan poner una mayor variedad de sensores ópticos TES en el 10-metros Hobby Eberly en Texas. Además de los estudios de débiles agujero negro y las estrellas de neutrones, el equipo también espera demostrar que el dispositivo será una poderosa herramienta para medir las distancias cósmicas. Debido a que el universo está en expansión, cuanto más lejos los objetos son los que más rápido se alejan. Este movimiento hace que el corrimiento al rojo, el enrojecimiento aparente de la luz procedente de objetos en retroceso. El mayor corrimiento al rojo de un objeto, cuanto más lejos que debe ser. Debido a que la velocidad de la luz es constante, los objetos con los más altos desplazamientos al rojo son también los objetos más antiguos en el universo visible. Una serie de dispositivos de TES en principio, podría obtener el corrimiento al rojo de cada objeto en cada imagen que hace un telescopio. En la actualidad, los astrónomos deben hacer un seguimiento de sus observaciones iniciales de un nuevo objeto con un análisis espectrográfico largo para medir su desplazamiento al rojo.
Un último uso de esta nueva tecnología sería la de dotar a la próxima generación de telescopio espacial con un mil por mil elemento del arreglo de sensores de TES. Este sistema permitiría a los astrónomos la medida del desplazamiento al rojo de los objetos más lejanos, los que son demasiado débil, incluso para los mayores telescopios de la Tierra para resolver. En su modo de campo profundo, por ejemplo, el telescopio espacial Hubble ha producido imágenes de objetos que son mil veces más débil que el brillo del cielo nocturno oscuro y son invisibles para los telescopios terrestres. Redshift información sobre estos y otros objetos similares podría proporcionar a los astrónomos una imagen más completa del tamaño y la forma del universo, la distribución de las galaxias dentro de ella, y cómo esto ha cambiado con el tiempo.
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