Image persistence flagging for SPHEREx

심우주의 고요하고 얼어붙은 침묵 속에서, 망원경은 인류가 만든 가장 민감한 눈으로서 초기 은하들로부터 오는 희미한 빛의 속삭임을 포착한다. 이 먼 신호들을 보기 위해 천문학자들은 인간의 눈에는 보이지 않지만 우주의 역사를 풍부하게 담고 있는 형태인 적외선을 감지할 수 있는 센서를 갖춘 특수 카메라에 의존한다. 그러나 이 센서들은 완벽하지 않으며, 기억을 가지고 있다. 밝은 빛을 본 후 시선을 돌렸을 때 망막에 잔상이 남는 것처럼, 이 민감한 검출기들은 밝은 광원이 시야에서 사라진 후에도 오랫동안 그 광원의 유령 같은 흔적을 붙잡고 있을 수 있다. 이미지 잔상 또는 잠재 신호(latent signal)라고 알려진 이 현상은, 방금 밝은 별의 빛으로 가득 찼던 픽셀이 텅 빈 어두운 우주를 바라보고 있을 때조차도 희미하게 쇠퇴하는 신호를 계속해서 기록할 수 있음을 의미한다. 전 하늘을 매핑하기 위해 설계된 임무에서, 이러한 남아있는 유령은 새로운 이미지를 과거의 메아리로 오염시켜 상황을 혼탁하게 만들 수 있으며, 우주의 진정한 배경과 센서 자체의 완고한 기억을 구별하는 것을 어렵게 만든다.

전 하늘을 조사하도록 설계된 계획된 우주 망원경인 SPHEREx 임무는 바로 이 정확한 문제에 직면해 있다. 이 탐사선은 우주선이 회전하며 한 구역의 하늘에서 다른 구역으로 이동함에 따라 수천 장의 사진을 찍기 위해 이 여섯 개의 적외선 검출기 어레이를 사용할 것이다. 임무 팀은 어떤 픽셀이 이 유령 같은 신호에 의해 오염되었는지 파악하여 이를 교정하거나 신뢰할 수 없는 것으로 표시할 방법을 찾아야 했다. 이를 해결하기 위해 로체스터 공과대학교, 캘리포니아 공과대학교, 그리고 제트추진연구소(JPL)의 캔디스 파자라(Candice Fazara)와 그녀의 동료들은 이러한 지속적인 신호를 예측하고 표시하는 새로운 방법을 개발했다. 그들은 아직 실제 비행용 카메라의 데이터를 가지고 있지 않았기에, 제어된 조건 하에서 센서가 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 동일한 사양으로 제작된 예비 유닛인 테스트 검출기를 활용했다.

연구진은 이 테스트 검출기에 밝고 집중된 빛의 빔을 비추어 밝은 별의 강렬한 눈부심을 시뮬레이션한 다음, 빛을 끄고 센서를 재설정한 후 어떤 일이 일어나는지 관찰했다. 그들은 센서가 단순히 어두워지는 것이 아니라, 시간이 지남에 따라 서서히 사라지는 쇠퇴하는 신호를 생성한다는 것을 관찰했다. 이 신호가 어떻게 변하는지 분석함으로써, 그들은 남아있는 전하의 양이 원래 빛이 얼마나 밝았는지와 센서가 빛에 얼마나 오래 노출되었는지에 크게 의존한다는 것을 발견했다. 빛에 압도되지 않은 픽셀들의 경우, 잔류 신호는 수신된 총 광량에 따라 예측 가능한 방식으로 증가한다는 것을 발견했다. 그러나 가장 강렬하게 빛을 받은 픽els의 경우, 센서 재료의 미세한 결함으로 인해 전하를 가두는 현상 때문에 일부 픽셀이 다른 픽셀보다 훨씬 더 강한 신호를 붙잡고 있는 등 그 동작이 더 복잡해졌다.

실제 임무 중에 실시간으로 사용할 수 있는 도구를 만들기 위해, 팀은 주어진 사진에 이 유령 신호가 얼마나 남아 있을지 추정할 수 있는 수학적 모델을 구축했다. 그들은 이 모델을 실험 데이터와 대조하여 테스트했으며, 단순한 공식이 일반적인 쇠퇴를 설명할 수는 있지만, 밝은 노출 후 처음 몇 분 동안은 신호를 과소평가하는 경우가 있다는 것을 발견했다. 안전을 위해, 그들은 오염될 가능성이 있는 모든 픽셀을 포착할 수 있도록 모델을 조정하여 잔류 신호를 약간 과대평가하도록 만들었다. 그런 다음 이를 실용적인 시스템, 즉 우주선의 컴퓨터가 따를 수 있는 일련의 규칙으로 변환했다. 이 시스템은 현재 이미지의 밝기를 살펴보고, 센서가 이전의 모습으로부터 얼마나 많은 "기억"을 여전히 가지고 있어야 하는지 계산하며, 예측된 유령 신호가 무시하기에 너무 강한 픽셀을 찾아내어 표시한다. 그들은 희미한 신호의 흔적까지 잡아내기 위한 낮은 한계치와, 가장 명백한 오염만을 잡아내기 위한 높은 한계치의 두 가지 주의 단계를 설정했다.

이 시스템이 실제 환경에서 작동할지 확인하기 위해, 팀은 SPHEREx 임무의 가상 버전을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했다. 그들은 모델에 밝은 별과 황도광(Zodiacal light)의 희미한 빛을 포함한 이틀 치의 시뮬레이션된 하늘 관측 시퀀스를 입력했다. 시뮬레이션 결과, 모델은 의도한 대로 작동하여 어떤 픽셀이 영향을 받을지 성공적으로 예측했다. 결과는 밝은 노출 이후, 약 2%의 적은 비율의 픽셀들이 상당한 시간 동안 유령 신호에 의해 오염된 것으로 표시되어 남을 것임을 나타냈다. 더욱 주목할 점은, 시뮬레이션이 검출기의 훨씬 더 큰 부분이 항상 가장 희미한 배경 소음보다 높은 아주 작은 잔류 신호를 가지고 있어, 결코 완전히 사라지지 않는 지속성의 일종인 "바닥(floor)"을 형성할 것임을 시사했다는 것이다.

이 연구는 임무 팀에게 결정적인 안전망을 제공한다. 이 모델을 사용함으로써, SPHEREx 팀은 신뢰할 수 없는 픽셀들을 식별하고 표시할 수 있으며, 과학자들이 해당 특정 지점들을 최종 지도에서 교정하거나 제외할 수 있도록 한다. 모델은 테스트 검출기를 사용하여 구축되었고 시뮬레이션에 의존하지만, 이는 센서의 피할 수 없는 기억을 처리하는 강력한 방법을 제공한다. 연구진은 실제 비행용 카메라의 동작이 약간 다를 수 있음을 인정하며, 임무가 발사되어 실제 검출기를 우주에서 측정할 수 있게 되면 모델을 개선할 계획이다. 현재로서는, 그들은 밝은 별의 유령이 SPHEREx가 찾아내도록 설계된 우주의 희미하고 고대적인 빛을 가리지 않도록 보장하는 명확한 경로를 확립했다.