用于地面时域天文学的COSMOS

介绍

时域天文学是研究天文物体和独特事件如何随时间变化的学科。它通过研究超新星和伽马射线暴等事件，以及可变脉冲星和恒星等物体，提供了一种理解星系和恒星演化极端阶段的替代方法。这些事件的特征可以是周期性的、随机的和突发性的，在所有对象和事件中都有变化。这使得时域天文学成为天文学和天体物理学中一个具有挑战性的关键领域。

时域天文学涵盖了大部分电磁波谱。它既利用专门的卫星来观察被大气层吸收的电磁频谱区域，也利用专门的地面全机器人望远镜。这些系统协同工作，捕捉光学、红外和无线电波，描述与每个天文物体或事件相关的完整电磁剖面。通常，专用卫星会检测到一个新的事件，触发远程机器人望远镜指向事件(或物体)并开始采集。

有不同的方法用于捕捉这些可变对象的时间信息。成像是可视化这些时间变化的有用技术，光谱学通常用于观察每个物体或事件的化学成分。偏振测量是时域天文学中另一种常用的技术，用于了解磁场的相关变化。这对伽马射线爆发特别有用，偏振光突出了爆发磁场内的变化。

这些事件在时间尺度上可能会有很大的变化，有些事件只持续几毫秒，有些则持续几年。由于这些事件是独特的，因此优化用于在非常小的时间尺度上捕捉任何变化的设备至关重要。

摄像头/传感器要求

由于这些天文事件之间有很多差异，每一个都是真正独特的，因此光源的光强通常是未知的。为了避免传感器可能饱和，通常在短曝光时间内拍摄大量帧。尽管这种方法降低了饱和的可能性，但较短的曝光时间限制了可以检测到的光子数量。因此，高量子效率对于确保检测到的高比例光子被转换为光电子并因此转换为信号是至关重要的。

高量子效率也很重要，因为在时域天文学中，长时间的积分是不可行的。一旦天文事件结束，它们通常会消退，有时会在几分钟内消退。更高的量子效率允许即使事件已经结束(即，测量来自事件的残余信号)，仍然可以检测到这些较微弱的信号。

为了最大限度地利用在事件消退期间收集的信息，采集的图像通常是堆叠的。为了保持这些堆叠图像的高信噪比，需要低读取噪声，以便仍然可以检测到较暗的恒星或事件/物体的各个方面。当堆叠帧时，不仅对信号求和，而且对读取噪声求和，因此低读取噪声是必不可少的。计算堆叠还允许对大气湍流进行部分校正，使低读取噪声与高量子效率一样积分。

由于这些事件/物体是独特的，并且在如此短的时间尺度上成像，因此真实的亮度是未知的。为了确定真正的亮度，具有已知亮度的参考恒星也会在帧内成像。通过测量较短的曝光时间如何影响任何参考恒星的亮度，并与参考恒星的已知亮度进行比较，可以获得事件/物体的真实亮度。每个图像中的参考恒星越多，图像校准就越好。因此，传感器的物理面积越大，图像和亮度比较就越好。

时域天文学COSMOS

COSMOS是Teledyne Princeton Instruments的大幅面背光CMOS相机，具有时域天文学所需的许多相机质量。当它被背光照射时，COSMOS在可见光范围内具有高量子效率，峰值量子效率>90%，如图2所示。这意味着它将能够将高百分比的光子转换为光电子，即使曝光时间更短。COSMOS还具有低读取噪声，能够实现低至0.7的电子读取噪声。这使得COSMOS不仅适用于对事件或物体的早期阶段进行成像，还适用于检测任何事件的余辉。这种低读取噪声对于帧的堆叠也是有利的，即使在对帧读取噪声求和的情况下也保持高信噪比。

图2:COSMOS相机的量子效率曲线，显示了在可见光范围内的高量子效率和>90%的峰值量子效率。

COSMOS具有大的成像面积，具有3k x 3k、6k x 6k和8k x 8k格式，均具有10μm像素。COSMOS的传感器对角线分别为43 mm、92 mm和115 mm，如图3所示。这些大的成像区域允许在每个帧内捕获多个参考恒星，确保高水平的图像比较和校准。

图3：三种COSMOS传感器型号的代表性传感器尺寸，3k x 3k的传感器对角线为43 mm，6k x 6k的传感器对角为92 mm，8k x 8k的传感器斜角为115 mm。

由于暗电流低和传感器面积大，传统上在时域天文学中使用全帧CCD。为了在读出期间完全阻挡任何入射光，全帧CCD使用机械快门。机械快门的使用寿命有限，在相机大量使用时经常需要更换。这对时域天文学中使用的望远镜来说可能是个问题，因为它们通常是全机器人的远程望远镜，这意味着维护可能很有挑战性。

此外，打开和关闭机械快门相对较慢，这对时域天文学至关重要的较短曝光时间会带来定量误差。由于COSMOS是一种CMOS探测器，它利用了一个快速的电子快门，在读出之前，通过将检测到的光电子转移到帧存储区域来停止曝光。电子快门不仅比机械快门更精确，而且可以减少检测器的死区时间，在此期间相机不会暴露在光线下。这意味着，当信号从存储区域读出时，后续曝光就可以开始了，从而可以对整个事件进行图像捕获，而不是周期性的片段。

由于时域天文学依赖于专用卫星和地面望远镜之间的协同作用，因此望远镜通常是机器人和远程控制的。因此，关键是任何相机或设备都可以轻松地集成到现有的软件中。COSMOS将完全由Teledyne Princeton Instruments的软件开发套件PICam控制。PICam可用于Linux和64位Windows，允许在这两种操作系统中完全控制COSMOS。PICam提供对相机的直接控制，具有灵活的配置和与Python等其他语言的集成。通过这种方式，COSMOS可以很容易地集成到控制任何远程机器人望远镜的软件中。

结论

时域天文学是研究天文物体和事件如何随时间变化的学科。这是一个利用许多不同技术来了解每一个独特事件的研究领域。

通常，时域天文学以短曝光时间拍摄多个图像，以防止传感器饱和，这需要具有高量子效率和低读取噪声的相机/设备(以在堆叠帧时保持高信噪比)。此外，由于每个事件都是唯一的，真实亮度是未知的，因此需要多颗参考恒星来确保感兴趣物体的校准。为了测量图像中的多个参考恒星，需要一个大的物理传感器区域。

COSMOS的峰值量子效率>90%，读取噪声低至0.7 e-，传感器尺寸在8k x 8k像素下可达115 mm对角线，满足时域天文学的基本参数。此外，其电子快门的误差减少，以及与Linux等操作系统集成的用于完全控制的软件开发套件，使COSMOS成为时域天文学的理想选择。

审核编辑 黄宇