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

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。天文學家還通過兩個望遠鏡研究恒星整個生命周期的直徑變化。使用地面望遠鏡完成這個任務可謂困難重重，因為恒星的角直徑非常小，只有幾毫弧秒，這就猶如從紐約遠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鏡也無法直接測量它們。因此，研究人員整合了多個相距數(shù)十米以外的望遠鏡所發(fā)出的光來記錄物體的光強度，這種技術被稱為強度干涉測量法。然而，由于這些信號非常微弱，所以任何雜散信號和串擾都會將其淹沒。在對幾種數(shù)字化儀卡的性能進行綜合評估后，Spectrum儀器M4i.4450-x8數(shù)字化儀卡成為了最終的選擇。

圖1：兩個MAGIC伽馬射線望遠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)項目負責人David Fink 表示：“我們發(fā)現(xiàn)測試的這些PC卡不僅雜散信號和串擾水平為最低，而且每張卡片的性能表現(xiàn)也完全相同。當你試圖比較每個望遠鏡所發(fā)出信號之間的差異時就會發(fā)現(xiàn)，性能表現(xiàn)竟是如此重要。該技術對通道之間的相關信號和串擾非常敏感，其中包括從光學傳感器到嵌入數(shù)字化儀卡的PC中采集的任何信號。具體來說，Spectrum儀器提供的這些卡能夠使我們精準的測量納秒時間段光強度的波動，其靈敏度約為20世紀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望遠鏡定位的，如果出現(xiàn)問題再去更換一張新卡實非易事。此外，還要考慮到儀器停機和觀測時間損失的成本。Spectrum儀器旗下產品的保修期長達五年，這表明他們對產品質量和可靠性的十足信心。這一點我們也從科學領域的其他用戶方面得到了證實。最后，Spectrum儀器承諾五年保修期過后仍將負責對產品的維護，這如同給了我們一顆定心丸。因為如果一個長期項目的核心組件不能再用，往往意味著研發(fā)團隊需要從新開發(fā)一個系統(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。因為GPU圖形處理器高達5000核，能夠進行更快速的數(shù)據(jù)處理，即使在500MS/s的高分辨率下仍然可以錄制和運行。

一顆遙遠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。然后在觀測期計算和平均互相關，以確定其變量作為兩個望遠鏡之間距離的函數(shù)。當恒星在天空中移動時，幾何形狀會發(fā)生變化。測量一個形狀需要沿著多個軸折線圖觀察。

背景

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

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

該研究所關于這個項目的論文名為《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