馬克斯普朗克研究所通過Spectrum儀器數(shù)字化儀遠(yuǎn)距離測量恒星直徑

德國格羅斯?jié)h斯多爾夫，2021年11月24日訊——位于加納利群島拉帕爾馬島上的神奇MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡是用來觀測宇宙中發(fā)出的高能伽馬射線，諸如超新星或黑洞。天文學(xué)家還通過兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡研究恒星整個(gè)生命周期的直徑變化。使用地面望遠(yuǎn)鏡完成這個(gè)任務(wù)可謂困難重重，因?yàn)楹阈堑慕侵睆椒浅Ｐ?，只有幾毫弧秒，這就猶如從紐約遠(yuǎn)望一枚放在埃菲爾鐵塔頂端的硬幣。即使是全球最大的望遠(yuǎn)鏡也無法直接測量它們。因此，研究人員整合了多個(gè)相距數(shù)十米以外的望遠(yuǎn)鏡所發(fā)出的光來記錄物體的光強(qiáng)度，這種技術(shù)被稱為強(qiáng)度干涉測量法。然而，由于這些信號(hào)非常微弱，所以任何雜散信號(hào)和串?dāng)_都會(huì)將其淹沒。在對幾種數(shù)字化儀卡的性能進(jìn)行綜合評(píng)估后，Spectrum儀器M4i.4450-x8數(shù)字化儀卡成為了最終的選擇。

圖1：兩個(gè)MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡位于拉帕爾馬島海拔2200多米的地方

馬克斯普朗克研究所電子開發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人David Fink 表示：“我們發(fā)現(xiàn)測試的這些PC卡不僅雜散信號(hào)和串?dāng)_水平為最低，而且每張卡片的性能表現(xiàn)也完全相同。當(dāng)你試圖比較每個(gè)望遠(yuǎn)鏡所發(fā)出信號(hào)之間的差異時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，性能表現(xiàn)竟是如此重要。該技術(shù)對通道之間的相關(guān)信號(hào)和串?dāng)_非常敏感，其中包括從光學(xué)傳感器到嵌入數(shù)字化儀卡的PC中采集的任何信號(hào)。具體來說，Spectrum儀器提供的這些卡能夠使我們精準(zhǔn)的測量納秒時(shí)間段光強(qiáng)度的波動(dòng)，其靈敏度約為20世紀(jì)70年代納拉布里干涉儀的10倍?！?

“我們選擇Spectrum儀器數(shù)字化儀卡的另一重要因素則是其產(chǎn)品卓越的可靠性。這些卡片是由位于西班牙加納利群島拉帕爾馬島高山上的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡定位的，如果出現(xiàn)問題再去更換一張新卡實(shí)非易事。此外，還要考慮到儀器停機(jī)和觀測時(shí)間損失的成本。Spectrum儀器旗下產(chǎn)品的保修期長達(dá)五年，這表明他們對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的十足信心。這一點(diǎn)我們也從科學(xué)領(lǐng)域的其他用戶方面得到了證實(shí)。最后，Spectrum儀器承諾五年保修期過后仍將負(fù)責(zé)對產(chǎn)品的維護(hù)，這如同給了我們一顆定心丸。因?yàn)槿绻粋€(gè)長期項(xiàng)目的核心組件不能再用，往往意味著研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要從新開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)?！?

由于需要處理大量的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)使用了Spectrum儀器研發(fā)的SCAPP軟件(Spectrum儀器CUDA 并行處理訪問)。這是一種將所有從數(shù)字化儀收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到NVIDA PC顯卡的方式，而不是電腦CPU為8或16的處理器核心。因?yàn)镚PU圖形處理器高達(dá)5000核，能夠進(jìn)行更快速的數(shù)據(jù)處理，即使在500MS/s的高分辨率下仍然可以錄制和運(yùn)行。

一顆遙遠(yuǎn)的恒星直徑是通過從恒星發(fā)出的不同光線的數(shù)字化來測量的。然后在觀測期計(jì)算和平均互相關(guān)，以確定其變量作為兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間距離的函數(shù)。當(dāng)恒星在天空中移動(dòng)時(shí)，幾何形狀會(huì)發(fā)生變化。測量一個(gè)形狀需要沿著多個(gè)軸折線圖觀察。

背景

成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡(IACTs)反射很強(qiáng)，對光子產(chǎn)生的幾個(gè)光電子信號(hào)的響應(yīng)在一納秒量級(jí)。這意味著它們非常合適光學(xué)干涉量度觀測。得益于對可見波長的靈敏度和IACT的長基線光強(qiáng)度干涉測量，角分辨率可以實(shí)現(xiàn)從幾十到微角秒。該項(xiàng)目在兩個(gè)直徑17米的IACT的攝像機(jī)上安裝了一個(gè)簡單的光學(xué)裝置，并觀測了用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡測量的三顆不同恒星的光子強(qiáng)度的相干波動(dòng)。

圖2：MAGIC(神奇伽馬射線望遠(yuǎn)鏡)是全球最大的大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，每個(gè)直徑17米

該研究所關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的論文名為《MAGIC》

由于拉帕爾馬火山位于拉帕爾馬南部，因此，位于該島北部的望遠(yuǎn)鏡目前沒有受到火山爆發(fā)的威脅。

Spectrum M4i.4450-x8的雙通道數(shù)字化儀，速度為500 MS/s