Учени, с подкрепата на НАСА, разработват еднофотонни детектори, които ще могат да улавят изключително слаби сигнали от екзопланети, известни като биосигнатури.

Те служат като своеобразни химически отпечатъци, които могат да подскажат за възможното съществуване на живи организми на далечни небесни тела.

Първите прототипи вече се тестват в суровите условия на Космоса.

Отделните фотони могат да носят информация за атмосферите на далечни екзопланети.

Това са уникални линии на поглъщане и излъчване в спектъра, които се произвеждат от молекули кислород, въглероден диоксид или метан.

За да улови тези свръхслаби сигнали от разстояния от десетки светлинни години, НАСА подготвя за изстрелване Обсерваторията за обитаеми светове (HWO).

Тя ще се нуждае от принципно нова, невероятно чувствителна апаратура.

В работата на HWO ще помага еднофотонен сензор за изображения SPSCMOS, базиран на метал-оксид-полупроводникова технология.

Такива устройства могат да откриват и разпознават отделни фотони с оптична дължина на вълната. Използват плаващ дифузионен сензор с нисък капацитет и висок коефициент на усилване.

Предимствата им са впечатляващи. Имат практически нулев шум при отчитане, изключително устойчиви са на радиация, генерират много слаб нежелан сигнал (тъмен ток). И могат да работят ефективно в широк температурен диапазон, дори до стайна температура.

При охлаждане до -23°C (250 K) тъмният ток спада до фантастично ниска стойност. Приблизително един електрон на половин час.

Това е от решаващо значение, тъй като всяко превишаване на шума над полезния сигнал би направило биосигнатурите невидими.

За да подготви тази обещаваща технология за суровите условия на космическия полет, група изследователи от Центъра за детектори към Рочестърския технологичен институт (САЩ) работи по няколко ключови направления в рамките на програми, финансирани от НАСА.

Инженерите извършват щателна характеристика на сензорите, като измерват техния тъмен ток, квантова ефективност и шум преди, по време и след облъчване с високоенергийна радиация.

Тъй като средата, в която ще работи HWO, е наситена с радиация, способна да причини временни сривове и повреди, нарушаващи работата на сензора, втората задача на екипа е да разработи нови режими за отчитане на данни. те трябва да смекчат последиците от радиационното въздействие.

Друг етап от работата ще бъде разработването на нова версия на инфрачервения сензор с помощта на софтуер за автоматизирано проектиране.

SPSCMOS сензорите работят аналогично на традиционните сензори за изображения. Но са оптимизирани за откриване на отделни фотони.

Това е важно за свръхчувствителни космически наблюдения, включващи измерване на съдържанието на газове в атмосферите на екзопланети.

Постъпващите фотони попадат в сензора и генерират свободни заряди (електрони).

Те се натрупват в клетката на паметта на пиксела и в крайна сметка се предават към компонент с нисък капацитет (чувствителен възел с плаваща дифузия). Там всеки свободен заряд предизвиква промяна в напрежението.

Тази промяна след това се дигитализира за отчитане на сигнала.

За да проверят бъдещата технология преди началото на производството, учените използват метод на симулация.

Създават виртуален двойник на прибора и имитират всички ключови етапи от неговата работа.

Технологията се тества в условия, максимално близки до реалните.

През януари 2025 г. изследователи, водени от докторанта Едуин Алексани, проведоха наблюдения с помощта на обсерваторията C.E.K. Mees в Ню Йорк, използвайки камера, базирана на SPSCMOS.

Те насочиха телескопа към звездния куп M36 и мъглявината „Балон“, за да оценят фотометричната точност на сензора.

Резултатите за тъмния ток и шума при отчитане напълно съвпаднаха с лабораторните.

Екипът също така наблюдава сателита STARLINK-32727, докато той преминава през зрителното поле на телескопа. И измерва незначителен постоянен сигнал от остатъчен заряд.

Въпреки че сателитът остави ярка ивица върху няколко пиксела, остатъчният заряд в тях се оказа нищожно малък. Само 0,03 електрона на пиксел. Това е под фоновия шум на небето и собствения шум на детектора.

Високочувствителните сензори, способни да улавят единични частици, намират приложение в различни области на науката.