Ultraszybka kamera – polski wkład w astronomię najwyższych energii

Docelowo - jak informuje krakowska uczelnia - w ramach CTA powstać mają dwa duże obserwatoria – na południowej i północnej półkuli – które będą wyposażone w kilkadziesiąt takich urządzeń różnej wielkości (o średnicy zwierciadła 4, 12 i 23 m). Ich synchronizacja z wykorzystaniem techniki stereoskopowej, polegającej na obserwacji konkretnego zjawiska z wielu punktów widzenia, pozwoli na wyznaczenie miejsca w kosmosie, z którego przybył każdy zarejestrowany foton γ. Użycie wielu teleskopów zwiększy też czułość instrumentu i pozwoli badaczom na zredukowanie szumu, który był istotnym problemem w przypadku pojedynczych detektorów umieszczonych na orbicie.

- Utworzona w ten sposób macierz (ang. array) teleskopów będzie jedną z największych sieci obserwacyjnych w historii. Projekt CTA stanowi w istocie połączenie wysiłków licznych grup naukowych z całego świata, zajmujących się astronomią najwyższych energii. W działania mające na celu budowę obserwatoriów zaangażowanych jest ponad 1000 badaczy z prawie 30 krajów – w tym 70 naukowców i inżynierów z Polski, pochodzących z 9 różnych jednostek badawczych. Mają oni bardzo ważny wkład w projekt – ich głównym zadaniem jest mianowicie skonstruowanie prototypu małego teleskopu, a także wysokiej klasy luster kompozytowych i nowoczesnych kamer cyfrowych, w które mogą zostać wyposażone wszystkie urządzenia. Partycypacja w CTA to dla polskich badaczy znakomita szansa zarówno na udział w rozwoju innowacyjnych technologii, jak i w możliwych odkryciach w dziedzinie astrofizyki. Zdaniem naukowców obserwacja wysokoenergetycznych fotonów γ może nas bowiem przybliżyć do poznania tajemnic ciemnej energii i materii – dwóch wielkich zagadek współczesnej nauki - czytamy.

W przedsięwzięciu uczestniczą inżynierowie z Instytutu Elektroniki na Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji, którzy razem ze specjalistami z Obserwatorium Astronomicznego UJ oraz szwajcarskim zespołem naukowym z Uniwersytetu w Genewie zbudowali kamerę z ultraszybką elektroniką cyfrową. Ważną rolę przy skonstruowaniu kamery odegrali pomysłowi elektronicy z AGH, działający pod kierownictwem dr. inż. Pawła Rajdy.

– Pierwszym doniosłym osiągnięciem uczonych z AGH i UJ jest zastosowanie w konstrukcji kamery szybkich przetworników analogowo-cyfrowych na wczesnym etapie obróbki sygnałów. Dzięki temu można było zbudować tor przetwarzania sygnałów działający w domenie cyfrowej, a nie – jak dotychczas – analogowej. Konstrukcja ta została oparta na programowalnych układach cyfrowych, pozwalających łatwo modyfikować architekturę sprzętu, co stanowiło korzyść z punktu widzenia tego projektu. Był to pomysł badaczy z Niemiec, z którymi na początku ściśle współpracowaliśmy. Naukowcy zza Odry byli przy tym zwolennikami wykorzystania fotopowielaczy próżniowych, natomiast my razem z zespołem ze Szwajcarii postanowiliśmy zrobić użytek z nowych na rynku fotopowielaczy krzemowych i tu nasze drogi się rozeszły. Fotopowielacze krzemowe, mimo pewnych wad, mają także wiele istotnych zalet, które dla nas wydawały się kluczowe – wymagały mniejszego napięcia zasilania (ok. 70 V, nie 1000-2000 V), były bardziej deterministyczne, jeśli chodzi o detekcję fotonów, a także pozwoliły niemalże trzykrotnie zmniejszyć rozmiar i wagę cyfrowej kamery. Aby osiągnąć ten zwiększony stopień integracji aparatury, zastosowaliśmy masowo w jej konstrukcji szybkie szeregowe interfejsy cyfrowe, przesyłające dane z prędkością 8 gigabitów na sekundę. Ten pomysł wraz z jego realizacją stanowi nasze drugie ważne, w pełni autorskie osiągnięcie. Cała kamera jest w istocie wysoce wyspecjalizowanym systemem obliczeniowym, przetwarzającym dane wejściowe z detektorów z prędkością ponad 4 terabitów na sekundę! – opowiada dr inż. Paweł Rajda.

W informacji prasowej czytamy też, że dzięki tej nowoczesnej kamerze, w którą wyposażono mały prototypowy teleskop o nazwie SST-1M, w 2017 r. w czasie wykonywania testów na terenie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zaobserwowano pierwszy foton γ, co stanowiło zwieńczenie wysiłków i potwierdzenie słuszności zrealizowanych koncepcji. Na ten moment w projekcie SST-1M bierze udział aż kilkanaście instytucji naukowych z 4 krajów (Polski, Szwajcarii, Czech i Ukrainy), których prace są koordynowane przez badaczy z Uniwersytetu Genewskiego. Prototypowy teleskop znajduje się obecnie w Obserwatorium Astronomicznym w Ondřejovie, gdzie 23 lutego br. w czasie kolejnych testów zarejestrował nowe błyski promieniowania Czerenkowa, spowodowane przez wysokoenergetyczne fotony γ. Niebawem dołączy do niego drugie, bliźniacze urządzenie, które prawdopodobnie w kwietniu zostanie wyposażone w kamerę, po czym oba instrumenty rozpoczną działanie w trybie stereoskopowym. Można tu zatem mówić o sukcesie, w którym duży udział mają inżynierowie z AGH, wzbogacający projekt rozległą wiedzą z zakresu nowych technologii.