Aliased noise characterization and mitigation in BICEP Array 150, 220 and 270 GHz time-division multiplexed detectors

لفهم العمل الموصوف هنا، يجب على المرء أولاً أن ينظر إلى السماء ليس فقط كلوحة من النجوم، بل كسجل للحظات الأولى من عمر الكون. يعتقد العلماء أنه في جزء من الثانية بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وهي فترة تُعرف بالتضخم الكوني. هذا التمدد السريع من شأنه أن يترك بصمة خافتة ومحددة على أقدم ضوء في الكون، وهو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. يحمل هذا الضوء نمط استقطاب دقيقًا، وهو التواء في موجاته يعمل كعلامة لتلك اللحظات الأولى. ويعد اكتشاف هذا النمط أحد أصعب الأهداف في علم الكونيات الحديث، حيث إن الإشارة ضعيفة للغاية ومن السهل أن يطغى عليها الضجيج القادم من مجرتنا. ولإيجادها، يبني الباحثون أدوات قادرة على قياس الاختلافات في درجات الحرارة في السماء بدقة متناهية، باستخدام مصفوفات من المستشعرات فائقة التوصيل التي يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. يجب أن تكون هذه المستشعرات حساسة للغاية بحيث يمكنها تمييز الهمس الخافت للكون المبكر عن الضجيج الساكن للأجهزة نفسها.

صُممت مصفوفة "بيسيب" (BICEP Array)، وهي سلسلة من التلسكوبات الموجودة في القطب الجنوبي، لصيد هذه الإشارة. وفي هذه الدراسة الأخيرة، ركز الباحثون على مستقبِلين محددين داخل المصفوفة يراقبان السماء بترددات عالية. وعندما بدؤوا ملاحظاتهم، واجهوا مشكلة محيرة: كانت الكواشف أكثر ضجيجًا مما توقعته حساباتهم. كانت الأجهزة تنتج مستوى من الضجيج الساكن الذي يختلف بشكل كبير من مستشعر إلى آخر ومن وحدة إلى أخرى، مما هدد بحجب الإشارة ذاتها التي صُنعت من أجلها. شرع الفريق في التحقيق في مصدر هذا الضجيج الزائد، مشتبهين في أن المشكلة لا تكمتم في برودة الفضاء أو غبار مجرتنا، بل في الإلكترونيات وفي فيزياء المستشعرات نفسها.

كشف التحقيق أن الضجيج لم يكن خللًا عشوائيًا، بل كان نوعًا محددًا من التداخل الناتج عن كيفية قراءة البيانات. ترتبط هذه الكواشف في سلسلة طويلة، وللقراءة السريعة للإشارات من آلاف الكواشف، يقوم النظام بالتبديل بسرعة من مستشعر إلى آخر، وهي عملية تسمى "تعدد الإرسال بتقسيم الوقت". يحدث هذا التبديل بسرعة عالية جدًا، لكن الباحثين اكتشفوا أن المستشعرات تولد نوعًا آخر من الضجيج عند ترددات أعلى بكثير من سرعة التبديل. ولأن النظام يتبدل بسرعة كبيرة، فإن هذا الضجيج عالي التردد كان يرتد إلى الترددات المنخفضة حيث يبحث العلماء عن البيانات، تمامًا كما تبدو عجلة سريعة الدوران وكأنها تتحرك للخلف في فيلم سينمائي. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التزييف" (aliasing)، تعني أن الضجيج الساكن عالي التردد كان يتنكر في هيئة ضجيج منخفض التردد، مما يؤدي إلى تضخيم القياسات ويجعل الكواشف تبدو أقل حساسية مما هي عليه حقًا.

لفهم سبب وجود هذا الضجيج عالي التردد، نظر الفريق عن كثب في فيزياء المستشعرات، والتي تسمى "مستشعرات الحافة الانتقالية". تعتمد هذه الأجهزة على توازن دقيق بين الكهرباء والحرارة لتعمل. فعندما يمتص المستشعر طاقة، ترتفع درجة حرارته قليلًا، مما يؤدي إلى تغيير مقاومته الكهربائية. يستخدم النظام هذا التغيير لقياس الضوء الوارد. ومع ذلك، فقد بُنيت المستشعات في هذه المستقبلات عالية التردد باستخدام طريقة تصنيع جديدة صُممت لجعلها أكثر متانة وأقل حساسية للتداخل المغناطيسي. أدت هذه الطريقة الجديدة إلى جعل الانتقال بين حالتها الطبيعية وحالتها فائقة التوصيل أكثر حدة. وبينما كان هذا الوضوح جيدًا لبعض الأمور، إلا أنه جعل المستشعرات حساسة للغاية لطاقتها الكهربائية الخاصة، مما خلق حلقة تغذية راجعة تدفعها نحو نقطة عدم الاستقرار. هذا عدم الاستقرار تسبب في توليد الضجيج الزائد عالي التردد الذي انعكس لاحقًا في البيانات.

أكد الباحثون هذه النظرية من خلال قياس حساسية المستشعرات مباشرة. ووجدوا أن المستشعرات كانت بالفعل أكثر حساسية للتغيرات في درجات الحرارة مما توقعته مواصفات التصميم. وقد أكد هذا أن حدة الانتقال هي التي كانت تقود حالة عدم الاستقرار. وبمجرد تحديد السبب، اختبر الفريق طريقتين عمليتين لحل المشكلة دون الحاجة إلى إعادة بناء الأداة بأكملها. تضمنت الحل الأول تسريع عملية التبديل؛ فمن خلال زيادة معدل انتقال النظام من مستشعر إلى آخر، دفعوا بنقطة ارتداد الضجيج إلى ما وراء نطاق الضجيج عالي التردد الذي تولده المستشعرات. أما الحل الثاني فكان رفع درجة حرارة المستشعرات قليلًا؛ فمن خلال رفع درجة حرارة التشغيل للمستوى البؤري، قللوا من كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لإبقاء المستشعرات في حالتها التشغيلية. هذا التقليل في الطاقة خفض شدة حلقة التغذية الراجعة، مما أدى إلى استقرار المستشعرات وتقليل الضجيج الذي تنتجه.

كانت نتائج هذه التغييرات فورية وجوهرية. فمن خلال ضبط سرعة التبديل ودرجة حرارة التشغيل، تمكن الباحثون من تقليل الضجيج في الكواشف بنسبة عشرة بالمائة تقريبًا. هذا التحسن جعل أداء الأدوات أقرب بكثير إلى حدودها النظرية، مما يضمن أن تكون البيانات التي يجمعونها نقية قدر الإمكان. كما سلطت الدراسة الضوء على أن الضجيج لم يكن موحدًا؛ إذ تصرفت المستشعرات المختلفة بشكل مختلف اعتمادًا على سماتها التصنيعية الخاصة، مما فسر التشتت الذي لوحظ في الملاحظات المبكرة. يوضح عمل الفريق أن موازنة حساسية المستشعرات مع استقرارها أمر بالغ الأهمية للأدوات المستقبلية. وبينما يمكن ضبط الكواشف الحالية لتعمل بشكل أفضل، فإن النتائج تشير إلى أن التصميمات المستقبلية ستحتاج إلى هندسة المستشعرات لتكون ذات انتقال أقل حدة منذ البداية، لتجنب عدم الاستقرار الذي تسبب في الضجيج في المقام الأول. إن هذا الضبط الدقيق للخصائص الفيزيائية للكواشف يضمن أن تكون الجيل القادم من التلسكوبات قادرة على الاستماع بوضوح أكبر إلى الأصداء الخافتة لميلاد الكون.