직경 6.5미터로 제임스 웹 우주 망원경의 주경 지구에서 발사된 어떤 망원경보다 더 많은 빛을 포착합니다. 하지만 모든 천문학자가 우주 망원경에 100억 달러를 쓸 수 있는 것은 아닙니다. 따라서 우주 기반 천문학의 비용을 낮추기 위해 연구자들은 캐나다 국립 연구 위원회 오타와의 연구진은 작은 광학 칩에서 별빛을 처리하는 방법을 연구하고 있습니다. 그곳의 광자학 연구원인 Ross Cheriton그리고 그의 학생들은 새로운 종류의 광자 칩을 사용하여 CubeSat 프로토타입을 제작하고 테스트했습니다. 목표는 저렴한 우주선 무리를 사용하여 천문 과학에 대한 진입 장벽을 낮추는 것입니다.
오타와의 양자 및 나노기술 연구 센터와 제휴하고 있는 체리톤은 “우리는 매우 컴팩트한 칩상 계측기를 사용하여 더 작은 우주 망원경이 대규모 과학을 수행할 수 있기를 바랍니다.”라고 말했습니다.
광자 집적 회로(PIC) 전기 대신 빛을 사용해 정보를 처리하는데 널리 사용되고 있습니다. 데이터 센터 주변에 수조, 수조 개의 비트를 던지다. 하지만 천문학자들은 최근에야 이를 이용해 우주에 대해 알 수 있는 것의 경계를 넓히는 방법을 연구하기 시작했습니다.
지상 망원경은 지구 대기에 시달리는데, 난류로 인해 들어오는 빛이 흐릿해져 카메라 칩에 초점을 맞추기 어렵습니다. 우주에서 망원경은 난류의 영향을 보정하지 않고도 비가시 파장에서 극히 희미한 물체를 들여다볼 수 있습니다. Cheriton은 트랜싯이라고 하는 외계 행성 “일식” 동안 매우 미묘한 가스 시그니처를 감지하는 PIC 필터로 대담하게 나아가려고 합니다.
광자 칩을 우주에 배치하는 주된 동기는 반도체 주조 공장에서 대량 생산할 수 있기 때문에 부품의 크기, 무게, 비용을 줄이는 것입니다. Cheriton은 “꿈은 다른 광학 장치가 없는 순수한 섬유와 칩 기반 기기입니다.”라고 말합니다. 필터, 렌즈, 거울을 칩으로 대체하면 일반적인 광학 부품에 비해 안정성과 확장성도 향상됩니다.
큐브샛—저렴하고, 작고, 표준화된 위성—은 소형 계측 탑재물을 배치하는 비용 효율적인 방법임이 입증되었습니다. Cheriton은 “PIC의 컴팩트한 특성은 CubeSats가 James Webb이 응시할 시간이 없는 밝은 외계 행성계를 연구하기에 완벽하게 어울립니다.”라고 말합니다.
총 임무 비용이 100만 달러 미만인 경우 웹의 100억 달러—궁극적인 CubeSat 임무는 행성이 시야를 가로지르는 것을 기다리는 동안 며칠에서 몇 주 동안 별을 응시할 수 있습니다. 그런 다음 행성의 대기가 빛을 흡수하는 방식과 관련된 별의 스펙트럼에서 약간의 변화를 찾을 것입니다. 생물학적 기원의 가스에 대한 확실한 증거입니다.
더 작은 분광법
개념 증명으로서 Cheriton은 학부생 팀을 지도했습니다. 8개월을 보냈다 맞춤형 PIC 설계 및 통합 3U 큐브샛 (10센티미터 x 10cm x 30cm) 플랫폼. 그들의 실리콘 질화물 광자 회로 센서는 CO의 흡수 시그니처를 감지할 수 있는 능력을 입증했습니다.2 들어오는 빛 속에서.
그들의 설계에 따르면 CubeSat의 콜리메이팅 렌즈에 들어오는 빛은 파이버로 초점이 맞춰진 다음 광자 칩으로 밀려납니다. 링 공진기를 포함하는 에칭된 광파도관 세트로 들어갑니다. 여기서 특정 파장 세트를 가진 빛은 링 주위를 여러 번 돌면서 강도가 높아지고, 그런 다음 검출기로 출력됩니다. 선택된 몇 개의 파장만 건설적으로 간섭하기 때문에(가스의 흡수 스펙트럼과 일치하도록 선택된 파장) 링은 빗살 모양 필터 역할을 합니다. 빛이 링 공진기를 통과한 후, 광파도관의 신호는 출력 파이버로 전달되고, 처리를 위해 Raspberry Pi 컴퓨터에 연결된 카메라로 전달됩니다. 따라서 단일 픽셀의 강도는 가스의 존재에 대한 판독값 역할을 합니다.
빛은 광자 집적 회로의 도파관을 통해 이동합니다.테세랙트
칩에 내장되어 있기 때문에 센서를 멀티플렉싱하여 여러 물체를 관찰하거나 동시에 다양한 가스를 감지할 수 있습니다. 또한, 모든 빛이 단일 픽셀에 떨어지기 때문에 신호가 기존 분광기보다 더 민감하다고 Cheriton은 말합니다. 게다가 이 기술은 전체 스펙트럼에서 피크를 찾는 대신 특정 가스의 흡수 스펙트럼과 얼마나 잘 일치하는지 찾는데, 이는 더 효율적인 프로세스입니다. 그는 “무언가가 우주에 있다면, 필요하지 않은 경우 기가바이트 규모의 데이터를 집으로 보내고 싶지 않을 것입니다.”라고 말합니다.
우주 여행은 아직 천체광학 CubeSat에 있어서 먼 미래입니다. 현재의 디자인은 우주에서 검증된 구성 요소를 사용하지 않습니다. 하지만 Cheriton의 학생들은 실험실에서 적색광(635nm)과 CO에 대해 테스트했습니다.2 가스 셀에서. 그들은 “지상국” 컴퓨터를 사용하여 모든 명령을 전송하고 모든 결과를 수신하고, 태양광을 모니터링하고 CubeSat에 있는 비행 제어 센서에서 데이터를 수집했습니다.
다음으로, 팀은 센서가 760nm 파장의 가스에 대한 투명성을 위해 선택된 재료인 실리콘 질화물 칩으로 산소를 감지할 수 있는지 테스트할 계획입니다. 성공하면 Cheriton이 천문학자들에게 다음으로 큰 이정표라고 부르는 것, 즉 산소가 있는 지구와 비슷한 행성을 찾는 것을 충족할 수 있는 좋은 위치에 있게 될 것입니다.
이 연구는 Optica(구 미국 광학 협회)에서 발표되었습니다. 고급 광자학 7월에 컨퍼런스가 열립니다.
