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

Om het werk dat hier wordt beschreven te begrijpen, moet men de hemel eerst niet alleen beschouwen als een canvas van sterren, maar als een verslag van de vroegste momenten van het universum. Wetenschappers geloven dat het universum in de fractie van een seconde na de Oerknal sneller uitdijde dan de snelheid van het licht, een periode die bekend staat als kosmische inflatie. Deze snelle expansie zou een zwakke, specifieke vingerafdruk hebben achtergelaten op het oudste licht in het universum, de kosmische achtergrondstraling. Dit licht draagt een subtiel polarisatiepatroon, een draaiing van zijn golven die fungeert als een handtekening van die eerste momenten. Het detecteren van dit patroon is een van de meest uitdagende doelen in de moderne kosmologie, aangezien het signaal ongelooflijk zwak is en gemakkelijk wordt overstemd door ruis van ons eigen sterrenstelsel. Om dit te vinden, bouwen onderzoekers instrumenten die in staat zijn om temperatuurverschillen aan de hemel met extreme precisie te meten, gebruikmakend van arrays van supergeleidende sensoren die zijn gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Deze sensoren moeten zo gevoelig zijn dat ze het zwakke gefluister van het vroege universum kunnen onderscheiden van de statische ruis van de instrumenten zelf.

De BICEP Array, een reeks telescopen gelegen op de Zuidpool, is ontworpen om naar dit signaal te jagen. In deze nieuwste studie richtten onderzoekers zich op twee specifieke ontvangers binnen de array die de hemel observeren op hoge frequenties. Toen zij hun observaties begonnen, stuitten zij op een verwarrend probleem: de detectoren waren ruisiger dan hun berekeningen voorspelden. De instrumenten produceerden een niveau van statische ruis dat sterk varieerde van de ene sensor naar de andere en van het ene module naar de andere, wat dreigde het zeer signaal dat ze gebouwd waren om te vinden, te maskeren. Het team begon te onderzoeken wat de bron van deze overtollige ruis was, in de veronderstelling dat het probleem niet lag in de kou van de ruimte of het stof van ons sterrenstelsel, maar in de elektronica en de fysica van de sensoren zelf.

Het onderzoek onthulde dat de ruis geen willekeurige glitch was, maar een specifiek type interferentie veroorzaakt door de manier waarop de gegevens werden uitgelezen. Deze detectoren zijn verbonden in een lange keten, en om het signaal van duizenden van hen snel uit te lezen, schakelt het systeem snel van de ene sensor naar de volgende, een proces dat time-division multiplexing wordt genoemd. Deze schakeling vindt plaats op een zeer hoge snelheid, maar de onderzoekers ontdekten dat de sensoren een ander soort ruis genereerden op frequenties die veel hoger lagen dan de snelheid van de schakeling. Omdat het systeem zo snel schakelt, werd deze hoogfrequente ruis teruggevouwen naar de lagere frequenties waar de wetenschappers naar data zochten, vergelijkbaar met hoe een snel draaiend wiel er in een film uitziet alsof het achteruit beweegt. Dit fenomeen, bekend als aliasing, betekende dat de hoogfrequente statische ruis zich voordeed als laagfrequente ruis, waardoor de metingen werden opgeblazen en de detectoren minder gevoelig leken dan ze werkelijk waren.

Om te begrijpen waarom deze hoogfrequente ruis bestond, keken het team nauwgezet naar de fysica van de sensoren, die transition-edge sensors worden genoemd. Deze apparaten vertrouwen op een delicaat evenwicht tussen elektriciteit en warmte om te functioneren. Wanneer een sensor energie absorbeert, stijgt de temperatuur licht, wat de elektrische weerstand doet veranderen. Het systeem gebruikt deze verandering om het invallende licht te meten. De sensoren in deze hoogfrequente ontvangers waren echter gebouwd met een nieuwe fabricagemethode die bedoeld was om ze robuuster en minder gevoelig voor magnetische interferentie te maken. Deze nieuwe methode resulteerde in een scherpere overgang tussen hun normale staat en hun supergeleidende staat. Hoewel deze scherpte goed was voor sommige zaken, maakte het de sensoren overgevoelig voor hun eigen elektrische vermogen, wat een feedbackloop creëerde die hen naar een punt van instabiliteit dreef. Deze instabiliteit zorgde ervoor dat ze de overtollige hoogfrequente ruis genereerden die later terug werd gevouwen in de data.

De onderzoekers bevestigden deze theorie door de gevoeligheid van de sensoren direct te meten. Ze ontdekten dat de sensoren inderdaad veel gevoeliger waren voor temperatuurveranderingen dan de ontwerp specificaties hadden voorzien. Dit bevestigde dat de scherpte van de overgang de instabiliteit aanjoeg. Zodra de oorzaak was geïdentificeerd, testte het team twee praktische manieren om het probleem op te lossen zonder het hele instrument opnieuw te hoeven bouwen. De eerste oplossing hield in dat het schakelproces werd versneld. Door de snelheid waarmee het systeem van de ene sensor naar de volgende bewoog te verhogen, duwden zij het punt waar ruis kon terugvouwen buiten het bereik van de hoogfrequente ruis die de sensoren genereerden. De tweede oplossing hield in dat de sensoren iets werden opgewarmd. Door de bedrijfstemperatuur van het focusvlak te verhogen, verminderden zij de hoeveelheid elektrisch vermogen die nodig was om de sensoren in hun werkende staat te houden. Deze vermindering van het vermogen verlaagde de intensiteit van de feedbackloop, waardoor de sensoren stabiliseerden en de ruis die zij produceerden afnam.

De resultaten van deze aanpassingen waren onmiddellijk en significant. Door de schakelsnelheid en de bedrijfstemperatuur aan te passen, slaagden de onderzoekers erin de ruis in de detectoren met ongeveer tien procent te verminderen. Deze verbetering bracht de prestaties van de instrumenten veel dichter bij hun theoretische limieten, waardoor gewaarborgd wordt dat de verzamelde data zo schoon mogelijk zullen zijn. De studie benadrukte ook dat de ruis niet uniform was; verschillende sensoren gedroegen zich verschillend afhankelijk van hun specifieke fabricage-eigenaardigheden, wat de spreiding verklaarde die in de vroege observaties werd gezien. Het werk van het team toont aan dat het balanceren van de gevoeligheid van de sensoren met hun stabiliteit cruciaal is voor toekomstige instrumenten. Hoewel de huidige detectoren kunnen worden afgestemd om beter te presteren, suggereren de bevindingen dat toekomstige ontwerpen de sensoren vanaf het begin een iets minder scherpe overgang moeten geven, om de instabiliteit die de ruis veroorzaakte te vermijden. Deze zorgvuldige afstemming van de fysieke eigenschappen van de detectoren zorgt ervoor dat de volgende generatie telescopen helderder kan luisteren naar de zwakke echo's van de geboorte van het universum.