Image persistence flagging for SPHEREx

في الصمت المتجمد والهادئ للفضاء العميق، تعمل التلسكوبات كأكثر العيون حساسية التي صنعها البشر، حيث تلتقط همسات خافتة من الضوء القادم من المجرات الأولى. ولرؤية هذه الإشارات البعيدة، يعتمد علماء الفلك على كاميرات متخصصة مجهزة بمستشعرات يمكنها اكتشاف الأشعة تحت الحمراء، وهو شكل من أشكال الإشعاع غير المرئي للعين البشرية ولكنه غني بالتاريخ الكوني. ومع ذلك، فإن هذه المستشعرات ليست مثالية؛ فلديها ذاكرة. فتماماً كما يمكن لضوء ساطع أن يترك صورة باقية في شبكية العين بعد أن تشيح بنظرك بعيداً، يمكن لهذه الكواشف الحساسة أن تحتفظ بـ "شبح" لمصدر ساطع لفترة طويلة بعد تحرك المصدر عن مجال الرؤية. هذه الظاهرة، المعروفة باسم استمرار الصورة أو الإشارة الكامنة، تعني أن البكسل الذي غمره للتو ضوء نجم ساطع قد يستمر في تسجيل إشارة خافتة ومتلاشية حتى عندما ينظر إلى فضاء مظلم وفارغ. وبالنسبة لمهمة مصممة لرسم خريطة للسماء بأكملها، فإن هذا الشبح المتبقي يمكن أن يعكر الصفو، مما يؤدي إلى تلوث الصور الجديدة بأصداء الصور القديمة ويجعل من الصعب التمييز بين الخلفية الحقيقية للكون وبين الذاكرة العنيدة للمستشعر نفسه.

تواجه مهمة "سفيريكس" (SPHEREx)، وهي تلسكوب فضائي مخطط له لمسح السماء بأكملها، هذا التحدي تحديداً. ستستخدم المهمة ست مصفوفات من كواشف الأشعة تحت الحمراء هذه لالتقاط آلاف الصور بينما تتحرك المركبة الفضائية وتدور من بقعة في السماء إلى أخرى. احتاج الفريق المسؤول عن المهمة إلى وسيلة لمعرفة أي البكسلات في صورهم تعرضت للتلوث بهذه الإشارة الشبحية حتى يتمكنوا من تصحيحها أو تحديدها كبيانات غير موثوقة. ولحل هذه المشكلة، طورت الباحثة كانديس فازارا وزملاؤها في معهد روتشستر للتكنولوجيا، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومختبر الدفع النفاث، طريقة جديدة للتنبؤ بهذه الإشارات المستمرة وتحديدها. وبما أنهم لم يمتلكوا بيانات من كاميرات الرحلة الفعلية بعد، فقد لجأوا إلى كاشف تجريبي، وهو وحدة احتياطية صُنعت وفقاً لنفس المواصفات، لمعرفة كيفية تصرف المستشعرات تحت ظروف محكومة.

قام الباحثون بإضاءة هذا الكاشف التجريبي بحزمة ضوئية ساطعة ومركزة، لمحاكاة التوهج الشديد لنجم ساطع، ثم راقبوا ما حدث بعد إطفاء الضوء وإعادة ضبط المستشعر. لاحظ الباحثون أن المستشعر لم يصبح مظلماً ببساطة؛ بل أنتج إشارة متلاشية تخبو ببطء مع مرور الوقت. ومن خلال تحليل كيفية تغير هذه الإشارة، اكتشفوا أن كمية الشحنة المتبقية تعتمد بشكل كبير على مدى سطوع الضوء الأصلي ومدة تعرض المستشعر له. ووجدوا أنه بالنسبة للبكسلات التي لم تغمرها الأضواء، نمت الإشارة المتبقية بطريقة يمكن التنبؤ بها بناءً على إجمالي كمية الضوء المستلمة. ومع ذلك، بالنسبة للبكسلات الأكثر إضاءة بكثافة، أصبح السلوك أكثر تعقيداً، حيث احتفظت بعض البكسلات بإشارة أقوى بكثير من غيرها، ويرجع ذلك على الأرج}&\text{thought} own الأرجح إلى وجود عيوب دقيقة في مادة المستشعر تؤدي إلى حبس الشحنات الكهربائية.

ولإنشاء أداة يمكن استخدامها في الوقت الفعلي أثناء المهمة، بنى الفريق نموذجاً رياضياً يمكنه تقدير مقدار إشارة الشبح التي ستظل موجودة في أي صورة معطاة. واختبروا هذا النموذج مقابل بياناتهم التجريبية ووجدوا أنه بينما يمكن لصيغة بسيطة وصف التلاشي العام، إلا أنها كانت تقلل أحياناً من تقدير الإشارة في الدقائق القليلة الأولى بعد التعرض لضوء ساطع. ولضمان السلامة، قاموا بتعديل نموذجهم ليبالغ قليلاً في تقدير الإشارة المتبقية، مما يضمن رصد أي بكسل يحتمل تلوثه. ثم ترجموا ذلك إلى نظام عملي: مجموعة من القواعد التي يمكن لحاسوب المركبة الفضائية اتباعها. ينظر هذا النظام إلى سطوع الصورة الحالية، ويحسب مقدار "الذاكرة" التي يجب أن يمتلكها المستشعر من المشاهدات السابقة، ويحدد أي بكسل تكون فيه إشارة الشبح المتوقعة قوية جداً بحيث لا يمكن تجاهلها. وقد وضعوا مستويين من الحذر: حداً أدنى لالتقاط حتى الآثار الخافتة للإشارة، وحداً أعلى لالتقاط التلوث الأكثر وضوحاً فقط.

ولمعرفة ما إذا كان هذا النظام سيعمل في العالم الحقيقي، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية باستخدام نسخة افتراضية من مهمة "سفيريكس". قاموا بتغذية النموذج بتسلسل من ملاحظات السماء لمدة يومين، بما في ذلك مشاهد للنجوم الساطعة والتوهج الخافت لضوء البروج (Zodiacal light). أظهرت المحاكاة أن النموذج يعمل كما هو مخطط له، حيث نجح في التنبؤ بالبكسلات التي ستتأثر. وأشارت النتائج إلى أنه بعد التعرض لضوء ساطع، ستظل نسبة صغيرة ولكن ثابتة من البكسلات -حوالي اثنين بالمائة- محددة كبكسلات ملوثة بالإشارة الشبحية لفترة زمنية طويلة. والأهم من ذلك، أشارت المحاكة إلى أن جزءاً أكبر بكثير من الكاشف سيحتوي دائماً على إشارة متبقية ضئيلة فوق خلفية الضوضاء الأضعف، مما يخلق نوعاً من "الأرضية" من الاستمرارية التي لا تختفي تماماً.

يوفر هذا العمل لفريق المهمة شبكة أمان حاسمة. فباستخدام هذا النموذج، يمكن لفريق "سفيريكس" تحديد وتحديد البكسلات التي يُحتمل أن تكون غير موثوقة، مما يسمح للعلماء إما بتصحيح البيانات أو استبعاد تلك النقاط المحددة من خرائطهم النهائية. وبينما بُني النموذج باستخدام كاشف تجريبي ويعتمد على المحاكاة، فإنه يوفر طريقة قوية للتعامل مع الذاكرة الحتمية للمستشعرات. ويقر الباحثون بأن السلوك الفعلي لكاميرات الرحلة قد يختلف قليلاً، وهم يخططون لتنقيح نموذجهم بمجرد إطلاق المهمة والقدرة على قياس الكواشف الحقيقية في الفضاء. أما الآن، فقد وضعوا مساراً واضحاً للمضي قدماً، لضمان ألا يحجب شبح نجم ساطع الضوء القديم والخافت للكون الذي صُممت "سفيريكس" للعثور عليه.