CCD

Sterrenkundige waarnemingen hebben de laatste jaren een ware revolutie doorgemaakt door de opkomst van «charge coupled devices» (CCD's) en andere soorten detectoren. Astronomen kunnen nu beelden en spectra vastleggen van zeer zwakke objecten of van objecten in zeer dicht (met sterren) bevolkte gebieden, welke onbereikbaar waren met eerdere methoden.

Tegelijk is de nauwkeurigheid van de metingen drastisch toegenomen. Ze kunnen nu waarnemingsprojecten ondernemen waar met oudere methoden als fotografie of foto-elektrische fotometrie niet eens aan werd gedacht. De omwenteling is zo groot dat tegenwoordig op alle belangrijke sterrenwachten ter wereld vrijwel alle beelden met deze nieuwe technologie worden opgenomen.

De CCD kan worden voorgesteld als een computerchip die bestaat uit honderden, of duizenden individuele fotometers.

Een silicium halfgeleider heeft de eigenschap dat er elektronen worden afgegeven wanneer het oppervlak wordt geraakt door licht. Het aantal elektronen dat wordt afgegeven is evenredig met de helderheid van het opvallende licht. Als tien keer meer fotonen een oppervlakte-eenheid) (een beeldelement of pixel) raken, worden er tien keer meer elektronen opgewekt. In tegenstelling tot de ingewikkelde relatie tussen helderheid en zwarting van de fotografische plaat, is de relatie tussen helderheid en hoeveelheid opgewekte lading op het oppervlak van een CCD lineair met een nauwkeurigheid van 0,1% over het grootste deel van zijn bereik.

Enkele jaren terug hadden CCD's een omvang van 512 rijen bij 320 kolommen (163.840 pixels); moderne exemplaren hebben een omvang van 2048 x 2048 (4.194.304) pixels en nog grotere maten zullen niet lang op zich laten wachten.

De CCD is gevoelig voor fotonen uit een zeer groot golflengte gebied, van röntgenstraling tot nabij-infrarood. Geen enkele andere detector is bruikbaar in zo'n groot deel van het spectrum. De mate waarin de fotonen worden geregistreerd is hoger dan bij vrijwel elke andere detector. Alleen in het ultraviolet is de CCD relatief ongevoelig, maar dit is verbeterd in de nieuwere chips. Dit heeft men bereikt door het oppervlak van de chips te voorzien van een dun laagje fosfor dat UV-licht omzet in licht met een langere golf lengte of door de chips zo dun mogelijk te maken door ze af te bijten met zuren.

Het menselijk oog ziet ongeveer 1 op de 100 beschikbare fo tonen. In een CCD wordt bijna de helft van alle fotonen gedetecteerd. Een detector met een effectiviteit van 100% zou een elektron afgeven voor elk ontvangen foton. Een ander belangrijk kenmerk van de CCD is dat de ruis (extra signaal die niet afkomstig is van het waargenomen object) voor elke meting erg laag is. Hierdoor kunnen zelfs zeer zwakke sterren worden gemeten.

Tijdens de belichting geeft elke pixel elektronen af, die worden opgeslagen in de chip. Aan het eind van de belichting wordt de chip uitgelezen door de opgespaarde elektrische lading rij voor rij naar één zijde van de chip te transpor teren. Aan de zijkant van de chip wordt de lading, pixel voor pixel, gelezen en de informatie wordt weggeschreven naar het geheugen van de aangesloten computer. De uitleestijd van de grotere chips is een factor waarmee rekening gehouden moet worden: deze kan oplopen tot enige minuten. Ten behoeve van spectroscopisch onderzoek zijn er speciale langwerpige CCD-chips ontworpen.

Gelijk met de omvang van de chips (zowel voor beelden als voor spectra) neemt ook de verkregen hoeveelheid gegevens sterk toe. Voor het beeld van een 2048 x 2048 chip is onge veer 10 megabyte aan computergeheugen nodig. Als men enkele beelden tegelijk aan het verwerken is, kan dit oplopen tot bijna een gigabyte (1000 megabyte). De ontwikkeling van computers houdt echter gelijke tred met die van CCD's, dus de meeste computers van sterrenwachten kunnen dit werk aan.

Een van de belangrijkste voordelen van CCD's is dat de data in digitale vorm beschikbaar zijn, zodat de informatie met behulp van computerprogramma's kan worden verwerkt en gemanipuleerd. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld zwakke details die anders onzichtbaar zouden blijven, extra worden benadrukt.

De gevoeligheid van een CCD-chip is niet over het gehele oppervlak gelijk en dus moet hiervoor worden gecorrigeerd, wil men nauwkeurige helderheden kunnen meten of spectra opnemen. Dit doet men door opnamen te maken van gelijkmatig verlichte oppervlakken, bijvoorbeeld van de hemel tijdens de schemering of van een verlicht wit paneeltje in de koepel. In deze zgn. «flats» zijn de kleine afwijkingen van de CCD zichtbaar en zo kan er tijdens het verwerken van de waarnemingen worden gecorrigeerd.