Image persistence flagging for SPHEREx

宇宙の深淵、その静寂に包まれた凍てつく沈黙の中で、望遠鏡は人類がこれまでに造り上げた中で最も敏感な「目」として機能し、初期の銀河から届くかすかな光のささやきを捉えています。これらの遠方の信号を観測するために、天文学者は赤外線（人間の目には見えないが、宇宙の歴史が凝縮された放射の一種）を検出できるセンサーを備えた特殊なカメラに頼っています。しかし、これらのセンサーは完璧ではありません。彼らには「記憶」があるのです。明るい光を見た後に網膜に残る残像のように、これらの高感度な検出器は、光源が視界から消えた後も、その明るい光源の「亡霊」を長く保持してしまうことがあります。この現象は「イメージ・パーシスタンス（画像の残留）」または「潜在信号」と呼ばれ、明るい星の光が押し寄せた画素が、その後、空虚で暗い宇宙を見ているときでも、微弱で減衰していく信号を記録し続けてしまうことを意味します。全天をマッピングするために設計されたミッションにとって、この消えない亡霊は水を濁らせる要因となります。新しい画像に古い画像の残響を混入させ、宇宙の真の背景とセンサー自身の執拗な記憶を区別することを困難にするのです。

全天を調査するために設計された計画中の宇宙望遠鏡、SPHERExミッションはこのまさにこの課題に直面しています。このミッションでは、宇宙船が回転し、空の一画から別の場所へと移動するにつれて、数千枚の写真を撮影するために、これら6つの赤外線検出器アレイを使用します。ミッションのチームは、どの画素がこの亡霊のような信号によって汚染されているかを判断する方法を必要としていました。それにより、汚染を補正するか、あるいは信頼できないものとしてマークすることができるからです。この問題を解決するため、ロチェスター工科大学、カリフォルニア工科大学、およびジェット推進研究所の研究者であるキャンディス・ファザラ氏とその同僚たちは、これらの残留信号を予測し、フラグを立てるための新しい手法を開発しました。彼らはまだ実際の飛行用カメラのデータを持っていなかったため、制御された条件下でセンサーがどのように振る舞うかを確認するために、同じ仕様で作られた予備のユニットであるテスト用検出器を用いました。

研究者たちは、明るい星の強烈な眩しさをシミュレートするために、このテスト用検出器を明るく集中した光のビームで照射し、その後、光を消してセンサーをリセットしたときに何が起こるかを観察しました。彼らは、センサーが単に暗くなるのではなく、時間の経過とともにゆっくりと衰退していく減衰信号を生み出すことを観察しました。この信号がどのように変化するかを分析することで、残留する電荷の量は、元の光がいかに明るかったか、そしてセンサーがどれくらいの期間その光にさらされていたかに大きく依存することを発見しました。光に圧倒されなかった画素については、残留信号は受け取った総光量に基づいて予測可能な形で増加することを見出しました。しかし、最も激しく照らされた画素については、挙動がより複雑になり、センサー素材内の微細な欠陥によって電荷が捕捉されるため、一部の画素が他の画素よりもはるかに強い信号を保持することが分かりました。

リアルタイムでミッション中に使用できるツールを作成するために、チームは、与えられた画像にどれだけの「亡霊」信号が残っているかを推定できる数学的モデルを構築しました。彼らはこのモデルを実験データに対してテストし、単純な公式では一般的な減衰を記述できるものの、明るい露出の直後の数分間においては信号を過小評価してしまうことがあることが分かりました。安全を期すため、彼らはモデルを調整して、残留信号をわずかに過大評価するようにし、汚染の可能性がある画素が確実に捕捉されるようにしました。そして、これを実用的なシステム、すなわち宇宙船のコンピュータが従うことができる一連のルールへと変換しました。このシステムは、現在の画像の明るさを確認し、以前の視界からセンサーがどれほどの「記憶」を保持しているはずかを計算し、予測される亡霊信号が無視できないほど強い画素に対してフラグを立てます。彼らは、微かな痕跡さえも捉えるための低い制限値と、最も明白な汚染のみを捉えるための高い制限値という、2つの警戒レベルを設定しました。

このシステムが現実の世界で機能するかどうかを確認するために、チームはSPHERExミッションの仮想バージョンを用いたコンピュータ・シミュレーションを実行しました。彼らはモデルに、明るい星や黄道光のかすかな輝きを含む、2日間のシミュレーションされた空の観測シーケンスを入力しました。シミュレーションの結果、モデルは意図通りに機能し、どの画素が影響を受けるかを正確に予測できることが示されました。結果は、明るい露出の後、少数の、しかし一定の割合の画素（約2パーセント）が、かなりの時間、亡霊信号によって汚染されているとしてフラグを立て続けられることを示しました。さらに注目すべきことに、シミュレーションは、検出器の大部分が常に極めて微かな残留信号を保持しており、それが最も微かな背景ノイズを超えて存在していることを示唆しました。これは、完全には消えることのない「残留の底」を作り出しています。

この研究は、ミッションチームに極めて重要なセーフティネットを提供します。このモデルを使用することで、SPHERExチームは信頼性が低い可能性のある画素を特定してマークすることができ、科学者がそれらのデータを補正するか、あるいは最終的なマップからそれらの特定の箇所を除外することを可能にします。このモデルはテスト用検出器を用いて構築され、シミュレーションに依存していますが、センサーの避けられない記憶に対処するための堅牢な方法を提供しています。研究者たちは、実際の飛行用カメラの挙動は若干異なる可能性があることを認めており、ミッションが打ち上げられ、実際の検出器を宇宙空間で測定できるようになった際に、モデルを洗練させる計画を立てています。現時点では、彼らは明確な進むべき道を確立しており、明るい星の亡霊が、SPHERExが発見するために設計された宇宙の古く微かな光を遮ることがないようにしています。