CCD: El dispositivo que revolucionó la forma en que los astrónomos observan el Universo

¿Alguna vez has contemplado una imagen extraordinariamente detallada de una galaxia, nebulosa o nube molecular y te has preguntado cómo llega la luz de ese objeto desde el espacio interestelar hasta tu pantalla? La respuesta está en la potencia de un chip captador de luz llamado dispositivo de carga acoplada (CCD por sus siglas en inglés). Estos pequeños pero poderosos aparatos, capaces de captar fotones —las partículas fundamentales de la luz— y convertirlos en una señal digital, desempeñan un rol fundamental en numerosas tecnologías. Desde los telescopios de categoría mundial hasta el teléfono que llevamos en el bolsillo, los CCD tienen una gran importancia en la forma en que los seres humanos capturan, interactúan y estudian el Universo.

La creación del CCD marcó un hito en la evolución de la ciencia y la tecnología y supuso el inicio de la revolución de la imagen digital. Fue en octubre de 1969, cuando los físicos Willard S. Boyle y George E. Smith, en los Laboratorios Bell, se embarcaron en la misión de encontrar una forma más asequible de almacenar bits de datos en los computadores, lo que en aquella época se hacía a través de memorias de burbujas magnéticas. Esto llevó a la creación del CCD basados en silicio, que en sus inicios estuvo destinado a mejorar la memoria de los computadores, pero pronto descubrieron la sensibilidad del material a la luz, lo que reveló su potencial para la captura de imágenes.

El ritmo al que el prototipo de CCD se materializó fue realmente extraordinario: Smith recuerda que les tomó poco más de una hora en esbozar el concepto inicial y que en menos de una semana ya habían montado un prototipo funcional, lo que supuso el rápido nacimiento de una tecnología que transformaría el panorama de la astronomía y la imagen digital.

Comprendiendo los CCD y sus funciones

Un CCD está creado en una fina “oblea de silicio” colocada sobre una rejilla rectangular de píxeles, cada uno de los cuales suele tener un ancho de de 20-30 micras (menos de la mitad del ancho de un cabello humano promedio). Estos píxeles, de cientos a miles por fila, situados bajo la capa de silicio son cruciales para la capacidad de captura de imágenes del dispositivo. Un CCD típico puede tener un tamaño de entre 1 y 7,5 centímetros de ancho, y cuando se agrupan varios, forman un mosaico que puede actuar como un gran dispositivo de captación de luz. Por ejemplo, la Cámara LSST del Observatorio Vera C. Rubin, la cámara digital más grande fabricada para la astronomía, cuenta con 189 CCD de 3.200 megapíxeles en total.

Cuando la luz se enfoca en el CCD, los fotones golpean la capa de silicio sensible a la luz, desprendiendo electrones que se acumulan en los píxeles de abajo, de forma similar a las gotas de lluvia que caen en un cubo. El número de electrones acumulados por cada píxel es proporcional a la intensidad de la luz que lo golpea, lo que permite al dispositivo grabar imágenes en función de las variaciones de la intensidad de la luz. A continuación, la señal pasa por un convertidor analógico-digital antes de que un computador la interprete y se muestre en una pantalla como una imagen reconstruida.

Tecnología CCD en la astronomía

Uno de los primeros usos de la tecnología CCD fue su aplicación transformadora a la astronomía. Históricamente, el desafío de la astronomía ha sido capturar imágenes detalladas de objetos celestes tenues y distantes. En esa época, los astrónomos utilizaban placas fotográficas recubiertas de plata, pero se trataba de un método ineficaz y lento de convertir los fotones entrantes en valiosos datos astronómicos.

En 1976 se produjo un momento histórico cuando Jim Janesick, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, y Brad Smith, de la Universidad de Arizona, utilizaron un detector CCD para captar imágenes de Júpiter, Saturno y Urano con el Telescopio de 61 pulgadas de Mount Bigelow, en Arizona. La clara superioridad del CCD sobre las placas fotográficas tuvo un reconocimiento inmediato, lo que llevó a su rápida adopción en el campo de la astronomía.

Los CCD ofrecían notables ventajas sobre las placas fotográficas, entre ellas, un rendimiento excepcional en poca luz, una gama espectral más amplia y la capacidad de convertir rápidamente los fotones en electrones. Estos avances revolucionaron la astronomía al facilitar el análisis inmediato de los datos y permitir observaciones prácticas desde el espacio. Las ventajas que ofrecían los CCD llevó al reemplazo inmediato de las placas fotográficas y que se extendiera su uso en la fotografía digital.

La tecnología CCD dio paso a una nueva era en la electrónica óptica y la imagen digital, integrándose rápidamente en diversas tecnologías. Los CCD fueron fundamentales en la aparición de las primeras cámaras de video digitales y portátiles, y aún se utilizan en los celulares modernos. En el campo de la imagenología médica, lograron una mejora en los diagnósticos al integrarlos en equipos digitales de rayos X, mamografía y fluoroscopía.

Los CCD también mejoraron las mediciones de detección de luz en instrumentos científicos como espectrógrafos y microscopios, y desempeñaron un papel fundamental en la digitalización de documentos mediante sistemas de reconocimiento óptico de caracteres. Además, su aplicación en los primeros escáneres de códigos de barras revolucionó la gestión de inventarios y comercios.

La próxima generación de CCD

En NOIRLab de NSF se está llevando a cabo un proyecto para implementar un tipo avanzado de CCD, denominados skipper CCD, en el Telescopio SOAR, que opera el Observatorio Cerro Tololo (Chile) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Los sensores skipper CCD están diseñados con una arquitectura CCD normal, pero con la capacidad de lograr un ruido de lectura extremadamente bajo. Esto se consigue leyendo la carga del píxel varias veces durante el proceso de lectura y luego promediando las cargas leídas. Esto reduce el ancho de banda eléctrico de la carga medida a casi corriente continua, eliminando el ruido intrínseco del CCD y haciendo posible incluso la detección de objetos más tenues.

El proyecto desarrolló un mosaico de cuatro skippers para el Espectrógrafo de Campo Integral (IFS por sus siglas en inglés) del Telescopio SOAR. En marzo y abril de 2024, el equipo llevó a cabo pruebas del mosaico de skippers y logró con éxito un ruido de lectura extremadamente bajo. Se trata de la primera demostración en el cielo del skipper CCD de nueva generación que logra tal hazaña, lo que apunta hacia avances significativos en la forma en que los astrónomos captan y estudian el Universo.

 

Enlaces:

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