給宇宙拍大片！濱松相機(jī)成為天文界的頭號(hào)"攝影師"

  ICC訊 從北歐極光觀測(cè)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(yuǎn)鏡，天文學(xué)的每一次突破，都始于對(duì)“光”的極致測(cè)量。在這些最前沿的科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)，濱松科學(xué)相機(jī)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(guò)兩個(gè)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(dòng)極光，Hosokawa實(shí)驗(yàn)室的”高清視界“

  在地球一端，日本電氣通信大學(xué)的Hosokawa實(shí)驗(yàn)室致力于研究一種神秘而絢麗的現(xiàn)象——“脈動(dòng)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(cè)它要求相機(jī)必須具備高靈敏度以捕捉暗弱光線、高幀率以記錄快速動(dòng)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(shí)驗(yàn)室選擇了濱松光子推出的ORCA-Quest qCMOS相機(jī)，作為其極光觀測(cè)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(dá)與衛(wèi)星的綜合性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

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

      在以下關(guān)鍵性能上表現(xiàn)出色，完美契合極光觀測(cè)的嚴(yán)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(xì)形態(tài)結(jié)構(gòu)，空間分辨率達(dá)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(xì)節(jié)。

  卓越的低噪聲性能：相機(jī)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(zhǔn)確性與可靠性，尤其適合對(duì)圖像質(zhì)量要求極高的科研場(chǎng)景。

  出色的探測(cè)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(hào)，滿足對(duì)脈動(dòng)極光等低照度現(xiàn)象的觀測(cè)需要。

  "脈動(dòng)極光研究項(xiàng)目"始于2015年。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用濱松EM-CCD相機(jī)進(jìn)行高速高靈敏度成像，并通過(guò)聯(lián)合分析地基極光觀測(cè)數(shù)據(jù)、歐洲非相干散射雷達(dá)(EISCAT)數(shù)據(jù)、2016年12月發(fā)射的Arase(ERG)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)以及2022年實(shí)施的脈動(dòng)極光火箭實(shí)驗(yàn)(LANP任務(wù))數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探究脈動(dòng)極光的起源機(jī)制。

  視頻詳情 視頻 Electro-Communications大學(xué), Hosokawa 實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)鏡，GTC的”技術(shù)心臟“升級(jí)

  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(yuǎn)鏡——加那利大型望遠(yuǎn)鏡(GTC)。它高達(dá)10.4米，猶如一只巨大的“天眼”，日夜不停地捕捉來(lái)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(yuǎn)鏡(Gran Telescopio Canarias)圖片來(lái)源：加那利天體物理研究所(IAC)

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

  從復(fù)雜到精簡(jiǎn)：一場(chǎng)觀測(cè)模式的革新

  過(guò)去，像GTC這樣的頂級(jí)望遠(yuǎn)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(jì)新的焦面儀器時(shí)，工程師們決定打破常規(guī)。他們計(jì)劃建造三個(gè)新的焦面站(一個(gè)卡塞格林式和兩個(gè)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(jì)思路，而是希望將多種功能集成到一個(gè)更簡(jiǎn)潔、更可靠的單元中。這個(gè)新單元的核心，是一個(gè)寬視場(chǎng)、低階的Shack-Hartmann波前傳感器。它需要在一個(gè)1024 x 1024像素的傳感器上，同時(shí)對(duì)18個(gè)子孔徑?20角秒視場(chǎng)進(jìn)行采樣。這不僅要求相機(jī)具備高速度(高達(dá)200幀/秒)以實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)星和主動(dòng)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(hào)。

      正是在這一挑戰(zhàn)下，GTC團(tuán)隊(duì)選擇了與濱松合作。

  為何選擇濱松sCMOS?

  濱松的板級(jí)sCMOS相機(jī)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(lái)了兩大核心優(yōu)勢(shì)：

  高靈敏度與高速度：sCMOS相機(jī)能夠以極高的幀率捕捉到極其微弱的光子信號(hào)，這對(duì)于快速精確地校正望遠(yuǎn)鏡的光路(主動(dòng)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(hù)：將多個(gè)功能整合到一臺(tái)可靠的相機(jī)上，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期、穩(wěn)定的低維護(hù)運(yùn)行，保障了寶貴的觀測(cè)時(shí)間。

  最終，濱松sCMOS相機(jī)成功幫助GTC構(gòu)建了功能強(qiáng)大且運(yùn)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(xiàn)一份力量。

圖5 上圖為用于尺寸對(duì)比的模型，非真機(jī)

  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(cè)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)突破性成果：

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

  給銀河系中心400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的“怪獸級(jí)”黑洞拍紅外寫真：我們銀河系中心存在一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)400萬(wàn)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(cè)它極為困難。GTC憑借其高空間分辨率的紅外探測(cè)能力，首次讓科學(xué)家清晰地觀測(cè)到這個(gè)黑洞對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響，包括對(duì)磁場(chǎng)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(lái)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(qiáng)度。

圖片來(lái)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(tuán)看穿，連哈勃都沒(méi)找到的星系被它揪出來(lái)：下圖對(duì)比了GTC(左)與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)(右)拍攝的阿貝爾370星系團(tuán)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(cè)到的遙遠(yuǎn)暗弱星系。

圖8 GTC+OSIRIS(左)與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(右)拍攝的阿貝爾370星系團(tuán)對(duì)比圖。圖片來(lái)源：GRANTECAN/HST

  從天文學(xué)的前沿探索到宇宙深處的觀測(cè)，濱松科學(xué)相機(jī)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(wú)論是助力GTC望遠(yuǎn)鏡捕捉遙遠(yuǎn)星系的奧秘，還是協(xié)助Hosokawa實(shí)驗(yàn)室記錄脈動(dòng)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(lái)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(gè)下面的小問(wèn)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(xiàn)

  [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

  若您希望了解濱松科學(xué)級(jí)相機(jī)(如qCMOS/sCMOS)的更多技術(shù)信息或應(yīng)用可能，歡迎掃描下方二維碼留言咨詢，我們的工程師會(huì)及時(shí)與您聯(lián)系并提供支持。