Image persistence flagging for SPHEREx

Nel silenzio calmo e congelato dello spazio profondo, i telescopi agiscono come gli occhi più sensibili che l'umanità abbia mai costruito, catturando deboli sussurri di luce dalle galassie primordiali. Per vedere questi segnali distanti, gli astronomi si affidano a telecamere specializzate dotate di sensori in grado di rilevare la luce infrarossa, una forma di radiazione invisibile all'occhio umano ma ricca di storia cosmica. Tuttavia, questi sensori non sono perfetti; hanno una memoria. Proprio come una luce intensa può lasciare un'immagine residua persistente sulla retina dopo aver distolto lo sguardo, questi sensori sensibili possono trattenere il fantasma di una sorgente luminosa molto tempo dopo che la sorgente si è spostata dalla vista. Questo fenomeno, noto come persistenza dell'immagine o segnale latente, significa che un pixel che è stato appena inondato dalla luce di una stella brillante potrebbe continuare a registrare un segnale debole e in decadimento anche quando sta guardando lo spazio vuoto e buio. Per una missione progettata per mappare l'intero cielo, questo fantasma persistente può sporcare le acque, contaminando le nuove immagini con gli echi di quelle vecchie e rendendo difficile distinguere il vero sfondo dell'universo dalla memoria ostinata del sensore stesso.

La missione SPHEREx, un telescopio spaziale pianificato per esaminare l'intero cielo, affronta esattamente questa sfida. Utilizzerà sei di questi array di rilevatori a infrarossi per scattare migliaia di fotografie mentre la sonda ruota e si sposta da una porzione di cielo all'altra. Il team dietro la missione aveva bisogno di un modo per sapere quali pixel nelle loro immagini fossero corrotti da questo segnale fantasma, in modo da poterlo correggere o contrassegnare come inaffidabile. Per risolvere questo problema, i ricercatori Candice Fazara e i suoi colleghi del Rochester Institute of Technology, del California Institute of Technology e del Jet Propulsion Laboratory hanno sviluppato un nuovo metodo per prevedere e segnalare questi segnali persistenti. Non disponevano ancora di dati dalle telecamere di volo reali, quindi si sono rivolti a un rilevatore di prova, un'unità di scorta costruita secondo le stesse specifiche, per vedere come si comportavano i sensori in condizioni controllate.

I ricercatori hanno illuminato questo rilevatore di prova con un fascio di luce luminoso e concentrato, simulando l'abbaglio intenso di una stella brillante, e poi hanno osservato cosa accadeva dopo aver spento la luce e resettato il sensore. Hanno osservato che il sensore non diventava semplicemente buio; invece, produceva un segnale in decadimento che svaniva lentamente nel tempo. Analizzando come questo segnale cambiava, hanno scoperto che la quantità di carica residua dipendeva fortemente da quanto era luminosa la luce originale e da quanto tempo il sensore era stato esposto ad essa. Hanno scoperto che, per i pixel che non erano sopraffatti dalla luce, il segnale residuo cresceva in modo prevedibile in base alla quantità totale di luce ricevuta. Tuttavia, per i pixel illuminati più intensamente, il comportamento diventava più complesso, con alcuni pixel che trattenevano un segnale molto più forte di altri, probabilmente a causa di minuscole imperfezioni nel materiale del sensore che intrappolavano le cariche elettriche.

Per creare uno strumento che potesse essere utilizzato in tempo reale durante la missione, il team ha costruito un modello matematico in grado di stimare quanto di questo segnale fantasma sarebbe rimasto in una determinata immagine. Hanno testato questo modello rispetto ai loro dati sperimentali e hanno scoperto che, sebbene una formula semplice potesse descrivere il decadimento generale, a volte sottostimava il segnale nei primi minuti dopo un'esposizione luminosa. Per sicurezza, hanno regolato il modello per sovrastimare leggermente il segnale residuo, assicurandosi che qualsiasi pixel potenzialmente contaminato venisse individuato. Hanno poi tradotto questo in un sistema pratico: un insieme di regole che il computer della navicella spaziale potesse seguire. Questo sistema osserva la luminosità dell'immagine corrente, calcola quanta "memoria" il sensore dovrebbe ancora avere dalle visualizzazioni precedenti e segnala qualsiasi pixel in cui il segnale fantasma previsto sia troppo forte per essere ignorato. Hanno stabilito due livelli di cautela: un limite inferiore per catturare anche le tracce più deboli del segnale e un limite superiore per catturare solo la contaminazione più evidente.

Per vedere se questo sistema avrebbe funzionato nel mondo reale, il team ha eseguito simulazioni al computer utilizzando una versione virtuale della missione SPHEREx. Hanno fornito al modello una sequenza di due giorni di osservazioni simulate del cielo, inclusi gli avvistamenti di stelle brillanti e il tenue bagliore della luce zodiacale. La simulazione ha dimostato che il modello funzionava come previsto, predicendo con successo quali pixel sarebbero stati influenzati. I risultati hanno indicato che, dopo un'esposizione luminosa, una piccola ma costante percentuale di pixel — circa il due percento — rimaneva contrassegnata come contaminata dal segnale fantasma per un periodo significativo di tempo. Ancora più notevolmente, la simulazione ha suggerito che una porzione molto più ampia del rilevatore avrebbe sempre avuto un segnale residuo minimo sopra il rumore di fondo più debole, creando una sorta di "pavimento" di persistenza che non scompare mai del tutto.

Questo lavoro fornisce al team della missione una rete di sicurezza cruciale. Utilizzando questo modello, il team di SPHEREx può identificare e contrassegnare i pixel che sono probabilmente inaffidabili, consentendo agli scienziati di correggere i dati o di escludere quegli specifici punti dalle loro mappe finali. Sebbene il modello sia stato costruito utilizzando un rilevatore di prova e si basi su simulazioni, esso offre un modo robusto per gestire l'inevitabile memoria dei sensori. I ricercatori riconoscono che il comportamento reale delle telecamere di volo potrebbe differire leggermente e intendono perfezionare il loro modello una volta lanciata la missione e quando potranno misurare i veri rilevatori nello spazio. Per ora, hanno stabilito una via chiara da seguire, assicurando che il fantasma di una stella brillante non offuschi la debole, antica luce dell'universo che SPHEREx è progettato per trovare.