Fortschrittliche Detektorsysteme für zukünftige Weltraumteleskope

LONDON (IT BOLTWISE) – Die nächste Generation von Weltraumteleskopen, darunter das ehrgeizige Habitable Worlds Observatory, erfordert hochentwickelte Detektortechnologien, um schwaches Licht von fernen Planeten einzufangen und die Geheimnisse ihrer Atmosphären zu entschlüsseln.

Die Entwicklung von Detektorsystemen für Weltraumteleskope steht vor neuen Herausforderungen, da die Anforderungen an die Erfassung von Lichtsignalen aus dem All stetig steigen. Ein Team von Wissenschaftlern, darunter Tracee Jamison-1, Lynn Miles und Sanetra Newman von der Arizona State University sowie Experten der NASA, arbeitet an der Weiterentwicklung von Mikrowellen-Kinetik-Induktanz-Detektoren (MKIDs). Diese Technologie hat sich bereits in ballongetragenen Experimenten bewährt, muss jedoch für den Einsatz im Weltraumumfeld erheblich verbessert werden.

Im Fokus der Forschung steht die Entwicklung eines strahlungsgehärteten Systems, das auf den technischen Grundlagen der PRIMA-Mission aufbaut. Dieses System soll die massiven Datenströme und die an Bord erforderliche Verarbeitung bewältigen, die für zukünftige Observatorien und die Suche nach außerirdischem Leben notwendig sind. Ein zentraler Bestandteil ist ein Hochgeschwindigkeits-Digitalprozessor, der auf einem strahlungsgehärteten Computerchip basiert und zuverlässigen Betrieb im Weltraum gewährleistet.

Der Prozessor analysiert die Signale jedes Detektors und wandelt sie in Daten um, die die Anwesenheit und Energie der einfallenden Photonen offenbaren. Die Präzision des Systems ist bemerkenswert, da es Frequenzverschiebungen von nur 10 kHz innerhalb einer Detektorbandbreite von 30 kHz unterscheiden kann. Diese Genauigkeit ist entscheidend für die Charakterisierung der schwachen Signale von erdähnlichen Planeten.

Eine Schlüsselinnovation des Systems ist die Fähigkeit, eine große Anzahl von Detektorsignalen, über 1400 einzelne Töne, ohne Leistungseinbußen zu verarbeiten. Dies wird durch eine Technik namens Frequenzmultiplexing erreicht, bei der jedem Detektor eine einzigartige Frequenz zugewiesen wird, sodass das System die Signale jedes einzelnen isolieren und analysieren kann. Die Signalverarbeitungsalgorithmen sind auf umprogrammierbarer Hardware implementiert, was Flexibilität und zukünftige Upgrades ermöglicht.

Die Leistung des Systems wurde durch umfangreiche Tests validiert, die seine Fähigkeit demonstrieren, die Phase und Amplitude der Detektorsignale genau zu messen. Durch die präzise Verfolgung dieser Parameter können Forscher die Energie und Ankunftszeit jedes Photons bestimmen, was ein detailliertes Bild des einfallenden Lichts liefert. Die Methode beinhaltet die Umwandlung eingehender Photonsignale in messbare Änderungen der Resonanzfrequenz, die durch präzise Überwachung der In-Phase- und Quadraturkomponenten der Detektorantwort erreicht wird.

Die Forschung legt kritische Parameter für die MKID-Signalverarbeitung fest, einschließlich einer erforderlichen Abtastfrequenz von mindestens 5 GHz und eines minimalen Beobachtungsfensters von 219 Proben, um einzelne Detektortöne genau aufzulösen. Dies stellt sicher, dass das System zwischen Signalen der 1400 Resonatoren innerhalb des MKID-Arrays unterscheiden kann, die einen Frequenzbereich von 2,4 bis 4,9 GHz abdecken. Während die aktuelle Implementierung darauf abzielt, die Spezifikationen für PRIMA zu erfüllen, sind die Algorithmen für Pulserkennung und Tonverfolgung für den Einsatz in der ambitionierteren Habitable Worlds Observatory-Mission vorgesehen.

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