Кратко — по этапам, с ключевыми эффектами на чувствительность и на то, какие исследования стали возможны.
Фотопластинки
- QE крайне низкая: порядка $\sim 1\%$ (зависит от эмульсии). Большая площадь кадра давала широкие обзоры, но низкая эффективность и нелинейность ограничивали глубину и точность фотометрии.
- Последствие: большие объёмные каталоги и кадровая астрометрия возможны, но предельная глубина и точная измерительная астрономия (фото- и спектрофотометрия) — слабые стороны.
Фотопомножители (PMT)
- Однопиксельный или маломатричный режим, QE $\sim 10-30\%$, отличная временная разрешающая способность (под $\mu \mathrm{s}$ — миллисекунды).
- Влияние: высокоточная фотометрия и быстрые измерения (пульсары, переменные звёзды, точечная спектрометрия), но без 2D‑изображения — ограничены целевыми наблюдениями.
ПЗС (CCD)
- QE до $\sim 90\%$ (особенно back‑illuminated), низкий шум чтения $\sim 1-10$ e− (современные — единицы или менее), линейность и цифровой выход.
- Формула S/N: $\mathrm{SNR}=\frac{S}{\sqrt{S+B+{\sigma }_{\mathrm{read}}^2}}$, где $S$ — сигнал, $B$ — фон, ${\sigma }_{\mathrm{read}}$ — шум чтения. Переход на ПЗС резко уменьшил роль ${\sigma }_{\mathrm{read}}$ и увеличил $S$ за счёт большой QE.
- Последствие: прирост глубины и точности (обычно выигрыш в чувствительности эквивалентен уменьшению требуемого времени наблюдения на порядок или более по сравнению с пластинками), высокоточная фотометрия (экзопланетные транзиты, сверхновые), широкие цифровые обзоры (SDSS и т. п.), эффективная многопиксельная спектроскопия.
Инфракрасные матрицы (HgCdTe, InSb и др.)
- Расширили рабочий диапазон в ближней ИК до $\sim 2.5\mu \mathrm{m}$ и дальше; QE и шум зависят от охладителя и технологии (температурно-зависимы).
- Последствие: изучение звёздообразования в запылённых областях, далёких и красно смещённых галактик, детектирование и характеристика экзопланет в ИК.
EMCCD, CMOS, APD и др.
- EMCCD: усиление сигнала позволяет почти убрать эффект шума чтения, полезны для слабых и быстрых источников.
- CMOS: быстрый кадровый вывод, низкое энергопотребление, растущая конкурентоспособность в больших массивах.
MKID (Microwave Kinetic Inductance Detectors) и фотон‑учитывающие пиксельные детекторы
- Фотонный подсчёт на пиксель, практически отсутствует шум чтения, очень высокая временная разрешающая способность ($\sim \mu \mathrm{s}$), встроенное низкоразрешающее спектральное измерение с энергетическим разрешением $R=\lambda /\Delta \lambda \sim 10-100$ (на практике пока ближе к нижнему концу).
- Последствие: одновременно высокоскоростная фотометрия, низкошумные наблюдения слабых объектов, «матричная» низкоразрешающая спектроскопия без дисперсии — полезно для быстрых трансентов, пульсаров, слабых и переменных источников, а также для реализации новых методов высококонтрастной съёмки.
Общие последствия эволюции технологий
- Чувствительность (возможность детектировать слабее): возрастание QE и снижение шумов дали реальный выигрыш в глубине и/или сокращении времени наблюдения на факторы $\sim 10-100$ по сравнению с пластинками (величина зависит от режима наблюдений и фона).
- Точность: цифровые ПЗС и современные детекторы обеспечили высокоточную фотометрию и астрометрию (миллимагниды и миллиугловые секунды в соответствующих системах).
- Временное разрешение: развитие от минут/секунд (пластинки) → миллисекунды/микросекунды (PMT, MKID) открыло fast‑astronomy.
- Пространственная/спектральная многоплексность: переход от одномерных детекторов к двумерным массивам позволил масштабные цифровые обзоры, интегральную полосу- и многопозиционную спектроскопию.
- Новые науки: глубокие широкие опросы галактик и квазаров, точная детекция транзитов экзопланет, временная астрономия (трансъенты, пульсары), ближняя ИК‑астрономия (звёздообразование, высокозадвинутые галактики), км‑класса коронографические и высококонтрастные методы — всё это стало возможным или значительно улучшилось.
Краткое резюме
- Основной драйвер прогресса — рост QE, снижение шумов и цифровая 2D‑чувствительность. Это привело к резкому росту глубины, точности и новым типам наблюдений: масштабные цифровые обзоры, прецизионная фотометрия экзопланет, быстрые явления и матричная низкоразрешающая спектроскопия (MKID) и расширение в ближнюю ИК благодаря специализированным матрицам.