給宇宙拍大片！濱松相機成為天文界的頭號"攝影師"

  ICC訊 從北歐極光觀測站的寒冷圓頂?shù)轿靼嘌览翣栺R島之巔的世界上最大的單口徑地面光學(xué)望遠鏡，天文學(xué)的每一次突破，都始于對“光”的極致測量。在這些最前沿的科學(xué)現(xiàn)場，濱松科學(xué)相機正以其卓越的成像性能，成為天文學(xué)家解讀宇宙奧秘的關(guān)鍵。

  本文將透過兩個前沿案例，看它如何成為天文發(fā)現(xiàn)的“關(guān)鍵之眼”。

  案例一：捕捉脈動極光，Hosokawa實驗室的”高清視界“

  在地球一端，日本電氣通信大學(xué)的Hosokawa實驗室致力于研究一種神秘而絢麗的現(xiàn)象——“脈動極光”。這種極光如同宇宙的脈搏，以幾秒到幾十秒為周期明暗變化。觀測它要求相機必須具備高靈敏度以捕捉暗弱光線、高幀率以記錄快速動態(tài)、低噪聲以保證數(shù)據(jù)純凈，以及大靶面獲得廣域視野。為滿足這些挑戰(zhàn)，Hosokawa實驗室選擇了濱松光子推出的ORCA-Quest qCMOS相機，作為其極光觀測系統(tǒng)的核心設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了覆蓋地面、雷達與衛(wèi)星的綜合性觀測網(wǎng)絡(luò)。

圖1 挪威斯基博頓觀測臺(Skibotn Observatory, Norway)圓頂內(nèi)ORCA-Quest qCMOS相機ORCA-Quest qCMOS相機

      在以下關(guān)鍵性能上表現(xiàn)出色，完美契合極光觀測的嚴苛需求：

  超高空間分辨率：憑借4096 × 2304像素的成像靶面與4.6 μm像素尺寸，ORCA-Quest qCMOS可清晰捕捉極光的精細形態(tài)結(jié)構(gòu)，空間分辨率達到以往設(shè)備的十倍水平，為分析極光形態(tài)變化提供豐富細節(jié)。

  卓越的低噪聲性能：相機具備極低的讀出聲與暗電流噪聲，圖像背景純凈度高，有效保障后續(xù)數(shù)據(jù)分析的準確性與可靠性，尤其適合對圖像質(zhì)量要求極高的科研場景。

  出色的探測靈敏度：即使在暗弱光條件下，ORCA-Quest qCMOS仍可穩(wěn)定捕捉極光信號，滿足對脈動極光等低照度現(xiàn)象的觀測需要。

  "脈動極光研究項目"始于2015年。項目團隊采用濱松EM-CCD相機進行高速高靈敏度成像，并通過聯(lián)合分析地基極光觀測數(shù)據(jù)、歐洲非相干散射雷達(EISCAT)數(shù)據(jù)、2016年12月發(fā)射的Arase(ERG)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以及2022年實施的脈動極光火箭實驗(LANP任務(wù))數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探究脈動極光的起源機制。

  視頻詳情 視頻 Electro-Communications大學(xué), Hosokawa 實驗室拍攝的帷幔型極光

  拍攝條件:

  ORCA-Quest qCMOS camera C15550-20UP

  Scan mode: Ultra quiet scanFrame rate: 20 frames/s (2048 pixels × 1152 pixels)Binning: 2 × 2

  案例二：賦能世界最大單口徑地面光學(xué)望遠鏡，GTC的”技術(shù)心臟“升級

  在西班牙拉帕爾馬島的山巔之上，矗立著世界最大的單口徑地面光學(xué)望遠鏡——加那利大型望遠鏡(GTC)。它高達10.4米，猶如一只巨大的“天眼”，日夜不停地捕捉來自宇宙深處的微弱光芒，致力于揭示黑洞、系外行星、暗物質(zhì)等宇宙奧秘。

圖3 圓頂開啟狀態(tài)的加那利大型望遠鏡(Gran Telescopio Canarias)圖片來源：加那利天體物理研究所(IAC)

  然而，要想看清億萬光年外的天體，不僅需要巨大的鏡面來收集光線，更需要極其敏銳的“眼睛”來成像。GTC的成就，離不開其背后一項關(guān)鍵的技術(shù)升級：濱松板級sCMOS相機的應(yīng)用。

  從復(fù)雜到精簡：一場觀測模式的革新

  過去，像GTC這樣的頂級望遠鏡，其精密儀器的傳感器大多采用CCD技術(shù)。但在為GTC設(shè)計新的焦面儀器時，工程師們決定打破常規(guī)。他們計劃建造三個新的焦面站(一個卡塞格林式和兩個折疊卡塞格林式)，不再使用以往那種復(fù)雜、多重儀器的設(shè)計思路，而是希望將多種功能集成到一個更簡潔、更可靠的單元中。這個新單元的核心，是一個寬視場、低階的Shack-Hartmann波前傳感器。它需要在一個1024 x 1024像素的傳感器上，同時對18個子孔徑?20角秒視場進行采樣。這不僅要求相機具備高速度(高達200幀/秒)以實現(xiàn)快速導(dǎo)星和主動光學(xué)閉環(huán)控制，還要求其具備高靈敏度和低噪聲，以捕捉極其微弱的光信號。

      正是在這一挑戰(zhàn)下，GTC團隊選擇了與濱松合作。

  為何選擇濱松sCMOS?

  濱松的板級sCMOS相機以其高速、低噪聲的特性脫穎而出，完美契合了GTC的新需求。將其集成到新系統(tǒng)中，帶來了兩大核心優(yōu)勢：

  高靈敏度與高速度：sCMOS相機能夠以極高的幀率捕捉到極其微弱的光子信號，這對于快速精確地校正望遠鏡的光路(主動光學(xué)控制)和跟蹤天體(導(dǎo)星)至關(guān)重要。

  高可靠性與低維護：將多個功能整合到一臺可靠的相機上，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了長期、穩(wěn)定的低維護運行，保障了寶貴的觀測時間。

  最終，濱松sCMOS相機成功幫助GTC構(gòu)建了功能強大且運行穩(wěn)健的新一代焦面儀器，為一系列重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)貢獻一份力量。

圖5 上圖為用于尺寸對比的模型，非真機

  sCMOS助力GTC，解鎖宇宙新發(fā)現(xiàn)

  搭載了新型儀器和“關(guān)鍵之眼”的GTC，在天文觀測領(lǐng)域取得了多項突破性成果：

  發(fā)現(xiàn)太陽系邊緣的“超級指環(huán)王”——矮行星新環(huán)系統(tǒng)：通過GTC上安裝的超高速相機Hipercam，天文學(xué)家在太陽系邊緣的一顆矮行星周圍發(fā)現(xiàn)了一個新的環(huán)系統(tǒng)。正是sCMOS技術(shù)帶來的高靈敏度，使得探測這些環(huán)結(jié)構(gòu)遮擋行星亮度時的微小變化成為可能。

  給銀河系中心400萬倍太陽質(zhì)量的“怪獸級”黑洞拍紅外寫真：我們銀河系中心存在一個質(zhì)量是太陽400萬倍的超大質(zhì)量黑洞——人馬座A。但由于星際氣體和塵埃的阻擋，觀測它極為困難。GTC憑借其高空間分辨率的紅外探測能力，首次讓科學(xué)家清晰地觀測到這個黑洞對其周圍環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響，包括對磁場干擾以及周邊氣體和恒星的加熱現(xiàn)象。

圖7 圖像色階表征著來自銀河中心一光年范圍內(nèi)，熾熱塵埃粒子構(gòu)成的絲狀結(jié)構(gòu)與發(fā)光恒星所發(fā)出的紅外(熱)輻射強度。

圖片來源：Roche et al. 2018, MNRAS, 476, 235

  用引力透鏡把6億光年外的“放大鏡”Abell 370星系團看穿，連哈勃都沒找到的星系被它揪出來：下圖對比了GTC(左)與哈勃太空望遠鏡(HST)(右)拍攝的阿貝爾370星系團中心。雖然哈勃的圖像空間分辨率更高，但GTC的圖像深度更深，揭示了更多此前未知、連哈勃都未能探測到的遙遠暗弱星系。

圖8 GTC+OSIRIS(左)與哈勃太空望遠鏡(右)拍攝的阿貝爾370星系團對比圖。圖片來源：GRANTECAN/HST

  從天文學(xué)的前沿探索到宇宙深處的觀測，濱松科學(xué)相機始終陪伴在科學(xué)家身邊，成為他們解讀星光的重要伙伴。無論是助力GTC望遠鏡捕捉遙遠星系的奧秘，還是協(xié)助Hosokawa實驗室記錄脈動極光的韻律，我們都致力于用更清晰的成像、更穩(wěn)定的性能，為每一束來自宇宙的光提供值得信賴的“眼睛”。我們期待與更多科研工作者一起，繼續(xù)探索那些尚未被看見的風(fēng)景。為了給您提供更貼合的設(shè)備支持，我們正關(guān)注 Camera Link接口、Global shutter等功能的開發(fā)。如果方便，希望能幫忙填個下面的小問卷(只需兩道題)，這能幫助我們更好地理解您的需求。

  參考文獻

  [1] B. Morgado et al. "A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche limit." | Nature, volume 614, pages 239–243 (2023): www.nature.com/articles/s41586-022-05629-6

  [2] "El Gran Telescopio Canarias juega un papel fundamental en el descubrimiento del anillo del planeta enano Quaoar" | Instituto de Astrofìsica de Canarias (IAC), (16/02/2023): https://www.iac.es/es/divulgacion/noticias/el-gran-telescopio-canarias-juega-un-papel-fundamental-en-el-descubrimiento-del-anillo-del-planeta

  [3] "CanariCam studies the polarization produced by the gas and dust around the black hole at the centre of the Milky Way" | Instituto de Astro- fìsica de Canarias (IAC), (02/20/2018): https://www.iac.es/en/outreach/news/canaricam-studies-polarization-produced-gas-and-dust-around-black-hole-centre-milky-way

  [4] SCIENCE COMMUNICATION AND OUTREACH UNIT, "Images from the Hubble Space Telescope and GRANTECAN help to show how the first galaxies were formed" | nstituto de Astrofìsica de Canarias(IAC), (10/21/2021): https://www.iac.es/en/outreach/news/images-hubble-space-telescope-and-grantecan-help-show-how-first-galaxies-were-formed

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