6.3: Detectors inayoonekana-Mwanga na Vyombo

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza tofauti kati ya sahani za picha na vifaa vya malipo
• Eleza matatizo ya kipekee yanayohusiana na uchunguzi wa infrared na ufumbuzi wao
• Eleza jinsi spectrometer inavyofanya kazi

Baada ya darubini kukusanya mionzi kutoka chanzo cha astronomia, mionzi lazima igunduliwe na kupimwa. Detector ya kwanza iliyotumiwa kwa uchunguzi wa astronomia ilikuwa jicho la mwanadamu, lakini linakabiliwa na kushikamana na kifaa kisichokamilika na kurekodi na kurudia—ubongo wa binadamu. Upigaji picha na detectors za kisasa za elektroniki zimeondoa quirks ya kumbukumbu ya binadamu kwa kufanya rekodi ya kudumu ya habari kutoka kwa ulimwengu.

Jicho pia linakabiliwa na kuwa na muda mfupi sana wa ushirikiano; inachukua sehemu tu ya pili ili kuongeza nishati ya mwanga pamoja kabla ya kutuma picha kwenye ubongo. Faida moja muhimu ya detectors za kisasa ni kwamba mwanga kutoka vitu vya astronomia unaweza kukusanywa na detector kwa muda mrefu zaidi; mbinu hii inaitwa “kuchukua mfiduo mrefu.” Ufuatiliaji wa masaa kadhaa unahitajika kuchunguza vitu vyenye kukata tamaa sana katika ulimwengu.

Kabla ya mwanga kufikia detector, wanaastronomia leo hutumia aina fulani ya chombo kutengeneza nuru kulingana na wavelength. Chombo kinaweza kuwa rahisi kama filters za rangi, ambazo hupeleka mwanga ndani ya aina mbalimbali za wavelengths. Plastiki nyekundu ya uwazi ni mfano wa kila siku wa chujio kinachotumia nuru nyekundu tu na huzuia rangi nyingine. Baada ya mwanga kupita katika chujio, huunda picha ambayo wanaastronomia wanaweza kutumia ili kupima mwangaza dhahiri na rangi ya vitu. Tutakuonyesha mifano mingi ya picha hizo katika sura za baadaye za kitabu hiki, na tutaelezea kile tunaweza kujifunza kutoka kwao.

Vinginevyo, chombo kati ya darubini na detector inaweza kuwa moja ya vifaa kadhaa vinavyoeneza nuru ndani ya upinde wa mvua wake kamili wa rangi ili wanaastronomia waweze kupima mistari ya mtu binafsi katika wigo. Chombo hicho (ambacho umejifunza katika sura ya Mionzi na Spectra) kinaitwa spectrometer kwa sababu inaruhusu wanaastronomia kupima (hadi mita) wigo wa chanzo cha mionzi. Kama filter au spectrometer, aina zote mbili za wavelength-kuchagua vyombo bado kutumia detectors kurekodi na kupima mali ya mwanga.

Detectors Picha na Electronic

Katika sehemu kubwa ya karne ya ishirini, filamu za picha au sahani za kioo ziliwahi kuwa detectors kuu za nyota, iwe kwa kupiga picha za spectra au picha za moja kwa moja za vitu vya mbinguni. Katika sahani ya picha, mipako ya kemikali nyeti ya mwanga hutumiwa kwenye kipande cha kioo ambacho, wakati wa maendeleo, hutoa rekodi ya kudumu ya picha hiyo. Katika uchunguzi duniani kote, makusanyo makubwa ya picha huhifadhi kile anga imeonekana kama wakati wa miaka 100 iliyopita. Picha inawakilisha uboreshaji mkubwa juu ya jicho la mwanadamu, lakini bado ina mapungufu. Filamu za picha hazifanyi kazi: takriban 1% tu ya nuru inayoanguka kwenye filamu huchangia mabadiliko ya kemikali yanayotengeneza picha; wengine hupotea.

Wanaastronomia leo wana detectors bora zaidi za elektroniki kurekodi picha za angani. Mara nyingi, hizi ni vifaa vya malipo (CCDs), ambazo ni sawa na detectors zinazotumiwa kwenye camcorders za video au kwenye kamera za digital (kama vile wanafunzi zaidi na zaidi wana kwenye simu zao za mkononi) (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Katika CCD, fotoni za mionzi zinazopiga sehemu yoyote ya detector zinazalisha mkondo wa chembe za kushtakiwa (elektroni) ambazo huhifadhiwa na kuhesabiwa mwishoni mwa mfiduo. Kila mahali ambapo mionzi inahesabiwa inaitwa pixel (kipengele cha picha), na detectors za kisasa zinaweza kuhesabu photons katika mamilioni ya saizi (megapixels, au wabunge).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Vifaa vya Malipo (CCDs). (a) CCD hii ni nene ya micrometers 300 tu (nyembamba kuliko nywele za binadamu) bado ina saizi zaidi ya milioni 21. (b) Matrix hii ya CD 42 hutumikia darubini ya Kepler. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Idara ya Nishati ya Marekani; mikopo b: mabadiliko ya kazi na NASA na mpira Aerspace)

Kwa sababu CCDs kawaida rekodi kama vile 60— 70% ya photons wote kwamba mgomo yao, na silicon bora na infrared CCDs kisichozidi 90% unyeti, tunaweza kuchunguza vitu sana fainter. Kati ya hizi ni miezi mingi midogo inayozunguka sayari za nje, sayari kibete barafu ng'ambo ya Pluto, na galaksi kibete za nyota. CCDs pia hutoa vipimo sahihi zaidi vya mwangaza wa vitu vya astronomia kuliko kupiga picha, na pato lao ni digital—kwa namna ya namba zinazoweza kuingia moja kwa moja kwenye kompyuta kwa ajili ya uchambuzi.

Infrared uchunguzi

Kuchunguza ulimwengu katika bendi ya infrared ya wigo inatoa changamoto za ziada. Mkoa wa infrared unatoka kwa wavelengths karibu na micrometer 1 (μm), ambayo ni kuhusu kikomo cha muda mrefu cha unyeti wa CCDs zote mbili na kupiga picha, hadi micrometers 100 au zaidi. Kumbuka kutokana na majadiliano juu ya mionzi na spectra kwamba infrared ni “mionzi ya joto” (iliyotolewa kwa joto ambalo sisi wanadamu tunafurahia). Changamoto kubwa kwa wanaastronomia kutumia infrared ni kutofautisha kati ya kiasi kidogo cha mionzi ya joto inayofikia Dunia kutoka nyota na galaxi, na joto kubwa zaidi linalotokana na darubini yenyewe na anga ya sayari yetu.

Joto la kawaida juu ya uso wa Dunia ni karibu 300 K, na anga ambayo uchunguzi unafanywa ni baridi kidogo tu. Kwa mujibu wa sheria ya Wien (kutoka sura ya mionzi na Spectra), darubini, uchunguzi, na hata angani huangaza nishati ya infrared yenye urefu wa kilele cha micrometers 10. Kwa macho infrared, kila kitu duniani ni mkali mwanga-ikiwa ni pamoja na darubini na kamera (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Changamoto ni kuchunguza vyanzo vya cosmic kali dhidi ya bahari hii ya mwanga wa infrared. Njia nyingine ya kuangalia hii ni kwamba mwanaastronomia anayetumia infrared lazima awe na ushindani na hali ambayo mwangalizi wa mwanga unaoonekana angekabili ikiwa anafanya kazi katika mchana mpana na darubini na optics iliyowekwa na taa angavu za fluorescent.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Macho Infrared. Mawimbi ya infrared yanaweza kupenya maeneo katika ulimwengu ambayo mwanga umezuiwa, kama inavyoonekana katika picha hii ya infrared ambapo mfuko wa plastiki huzuia mwanga unaoonekana lakini sio infrared.

Ili kutatua tatizo hili, wanaastronomia wanapaswa kulinda detector ya infrared kutoka mionzi iliyo karibu, kama vile ungependa kulinda filamu za picha kutoka mchana mkali. Kwa kuwa kitu chochote cha joto kinapunguza nishati ya infrared, detector inapaswa kutengwa katika mazingira ya baridi sana; mara nyingi, inafanyika karibu na sifuri kabisa (1 hadi 3 K) kwa kuzama katika heliamu ya kioevu. Hatua ya pili ni kupunguza mionzi iliyotolewa na muundo wa darubini na optics, na kuzuia joto hili kufikia detector infrared.

Angalia Zoo ya Infrared ili kupata hisia ya vitu vinavyoonekana kama vile mionzi ya infrared. Slide slider na mabadiliko ya wavelength ya mionzi kwa picha, na bonyeza arrow kuona wanyama wengine.

Spectroscopy

Spectroscopy ni mojawapo ya zana za nguvu zaidi za wanaastronomia, kutoa taarifa kuhusu muundo, joto, mwendo, na sifa nyingine za vitu vya mbinguni. Zaidi ya nusu ya muda uliotumiwa kwenye darubini kubwa zaidi hutumiwa kwa spectroscopy.

Wavelengths nyingi tofauti zilizopo katika nuru zinaweza kutengwa kwa kuzipitia kupitia spectrometer ili kuunda wigo. Mpangilio wa spectrometer rahisi unaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Mwanga kutoka chanzo (kwa kweli, mfano wa chanzo zinazozalishwa na darubini) huingia chombo kupitia shimo ndogo au fungu nyembamba, na ni collimated (kufanywa katika boriti ya mionzi sambamba) na lens. Mwanga kisha hupita kupitia mche, huzalisha wigo: wavelengths tofauti huacha mche kwa njia tofauti kwa sababu kila wavelength hupigwa kwa kiasi tofauti inapoingia na kuacha mche. Lens ya pili iliyowekwa nyuma ya mche inalenga picha nyingi tofauti za shimo la mtakata au mlango kwenye CCD au kifaa kingine cha kuchunguza. Mkusanyiko huu wa picha (umeenea kwa rangi) ni wigo ambao wanaastronomia wanaweza kuchambua katika hatua ya baadaye. Kama spectroscopy kuenea mwanga nje katika mapipa zaidi na zaidi kukusanya, fotoni chache kwenda katika kila bin, hivyo ama darubini kubwa inahitajika au wakati muungano lazima sana-kwa kawaida wote.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) mche Spectrometer. Nuru kutoka darubini inazingatia fungu. Mche (au grating) hueneza mwanga ndani ya wigo, ambayo hupigwa picha au kurekodi kwa umeme.

Katika mazoezi, wanaastronomia leo wana uwezekano mkubwa wa kutumia kifaa tofauti, kinachoitwa grating, ili kueneza wigo. Grating ni kipande cha nyenzo na maelfu ya grooves juu ya uso wake. Wakati inafanya kazi tofauti kabisa, grating, kama prism, pia huenea mwanga ndani ya wigo.

Muhtasari

Detectors inayoonekana mwanga ni pamoja na jicho la mwanadamu, filamu ya picha, na vifaa vya malipo (CCDs). Detectors kwamba ni nyeti kwa mionzi infrared lazima kilichopozwa kwa joto la chini sana tangu kila kitu ndani na karibu na darubini anatoa mbali mawimbi infrared. Spectrometer hueneza mwanga ndani ya wigo ili kurekodi kwa uchambuzi wa kina.

faharasa

kifaa cha malipo ya pamoja (CCD)

safu ya detectors high-unyeti wa umeme wa mionzi ya umeme, kutumika katika lengo la darubini (au kamera lens) kurekodi picha au wigo