Η NASA επενδύει σε υπερ-ευαίσθητους αισθητήρες φωτονίων για την αναζήτηση ζωής πέρα από τη Γη

Η ερώτηση «είμαστε μόνοι στο Σύμπαν;» παραμένει εδώ και αιώνες ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της ανθρωπότητας. Σήμερα, μια ερευνητική ομάδα χρηματοδοτούμενη από τη NASA κάνει ένα αποφασιστικό βήμα προς την κατεύθυνση της απάντησης, αναπτύσσοντας μια νέα γενιά αισθητήρων εικόνας ικανών να ανιχνεύουν μεμονωμένα φωτόνια.

Η τεχνολογία αυτή, βασισμένη σε CMOS ανιχνευτές με δυνατότητα single-photon sensing (SPSCMOS), θεωρείται καθοριστική για τις μελλοντικές αστρονομικές αποστολές της NASA και κυρίως για το φιλόδοξο πρόγραμμα Habitable Worlds Observatory (HWO), το οποίο θα επιχειρήσει να εντοπίσει ενδείξεις ζωής σε εξωπλανήτες.

Η αναζήτηση εξωγήινης ζωής στηρίζεται στην ανίχνευση λεγόμενων «βιοϋπογραφών» – χαρακτηριστικών μοριακών αποτυπωμάτων στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη. Στοιχεία όπως το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα ή το μεθάνιο αφήνουν απορροφητικές και εκπομπικές γραμμές στο φάσμα του φωτός που εκπέμπει ή αντανακλά ο πλανήτης. Αυτά τα σήματα είναι εξαιρετικά αδύναμα και γι’ αυτό απαιτούνται ανιχνευτές με πρωτοφανή ευαισθησία για να καταγραφούν.

Εδώ ακριβώς έρχεται το SPSCMOS. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς αισθητήρες, οι οποίοι καταγράφουν σμήνη φωτονίων, οι νέοι ανιχνευτές μπορούν να εντοπίσουν το πέρασμα ενός και μόνο φωτονίου. Αυτό δίνει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να αναλύσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις ατμόσφαιρες εξωπλανητών, αναζητώντας ακόμη και τις πιο αχνές βιοϋπογραφές.

Πλεονεκτήματα και ανθεκτικότητα στο Διάστημα

Οι αισθητήρες SPSCMOS διαθέτουν σχεδόν μηδενικό ηλεκτρονικό θόρυβο, λειτουργούν αποτελεσματικά σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και είναι ανθεκτικοί στην ακτινοβολία – μια κρίσιμη προϋπόθεση για την επιβίωσή τους στο Διάστημα. Όταν ψύχονται στους 250 Kelvin, ο λεγόμενος «σκοτεινός θόρυβος» πέφτει σε μόλις ένα ηλεκτρόνιο ανά μισή ώρα, κάτι που τους καθιστά εξαιρετικά ακριβείς.

Ωστόσο, το περιβάλλον στο οποίο θα λειτουργήσει το HWO είναι γεμάτο ακτινοβολία, η οποία μπορεί να αλλοιώσει προσωρινά ή και μόνιμα τα δεδομένα. Για αυτό, η ερευνητική ομάδα από το Rochester Institute of Technology (RIT) αναπτύσσει νέους τρόπους ανάγνωσης των σημάτων, οι οποίοι μπορούν να αναγνωρίζουν και να απομακρύνουν τις επιπτώσεις από κοσμικές ακτίνες. Έτσι, διασφαλίζεται ότι η επιστημονική πληροφορία δεν θα χαθεί.

Προσομοιώσεις και εργαστηριακές δοκιμές

Η ομάδα δεν περιορίζεται μόνο στην κατασκευή. Χρησιμοποιεί λογισμικό TCAD για να προσομοιώσει νέες εκδόσεις των ανιχνευτών, ικανές να λειτουργούν στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα. Η τεχνολογία αυτή, που μέχρι τώρα περιοριζόταν στο ορατό φως, θα μπορέσει να ανιχνεύει μόρια-κλειδιά όπως το μεθάνιο ή το διοξείδιο του άνθρακα στις ατμόσφαιρες μακρινών κόσμων.

Οι δοκιμές πραγματοποιούνται σε θαλάμους κενού, όπου οι αισθητήρες υποβάλλονται σε θερμοκρασίες και συνθήκες αντίστοιχες με αυτές που θα συναντήσουν στο Διάστημα. Επιπλέον, πραγματοποιούνται ακτινοβολήσεις σε εργαστήρια στη Γη ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά τους μετά από δόσεις ισοδύναμες με αυτές που θα δεχτούν σε μια πολυετή αποστολή.

Από τα εργαστήρια στον ουρανό

Για να αξιολογηθεί η πραγματική απόδοση, οι αισθητήρες τοποθετήθηκαν σε τηλεσκόπιο στο C.E.K. Mees Observatory στη Νέα Υόρκη. Εκεί κατέγραψαν σμήνη αστέρων, νεφελώματα και ακόμη και δορυφόρους σε τροχιά. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: η ευαισθησία συμφωνούσε με τις μετρήσεις του εργαστηρίου, ενώ το φαινόμενο της «επίμονης φόρτισης» – υπολειμματικά σήματα μετά από έντονη φωτεινή πηγή – ήταν πρακτικά αμελητέο.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ήταν η παρατήρηση του δορυφόρου STARLINK-32727, ο οποίος άφησε στιγμιαία μια φωτεινή γραμμή στον αισθητήρα λόγω αντανάκλασης του Ήλιου. Παρόλα αυτά, το υπολειμματικό φορτίο που καταγράφηκε ήταν ασήμαντο, επιβεβαιώνοντας την αξιοπιστία της τεχνολογίας.

Η επόμενη μέρα της αστρονομίας

Καθώς το πρόγραμμα Habitable Worlds Observatory προχωρά, η τεχνολογία SPSCMOS διαφαίνεται ως ένα από τα πιο κρίσιμα εργαλεία που θα καθορίσουν την επιτυχία του. Η δυνατότητα ανίχνευσης μεμονωμένων φωτονίων φέρνει τους επιστήμονες πιο κοντά στο να καταγράψουν για πρώτη φορά σαφείς ενδείξεις ζωής πέρα από τη Γη.

Η πρόοδος αυτή δεν αφορά μόνο την εξωπλανητική έρευνα, αλλά υπόσχεται να αλλάξει συνολικά την αστρονομία. Από τη μελέτη αχνών γαλαξιών μέχρι την παρακολούθηση νεφελωμάτων, οι νέοι αισθητήρες ανοίγουν δρόμους για παρατηρήσεις με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η NASA και οι συνεργαζόμενοι φορείς δεν υπόσχονται ότι θα απαντήσουν άμεσα στο αιώνιο ερώτημα της ύπαρξης ζωής στο Σύμπαν. Υπόσχονται όμως ότι θα μας φέρουν πιο κοντά από ποτέ σε αυτή την απάντηση με εργαλεία που μετατρέπουν το σχεδόν αόρατο σε ορατό και το άπιαστο σε μετρήσιμο.

[via]