Image persistence flagging for SPHEREx

In de stille, bevroren stilte van de diepe ruimte fungeren telescopen als de meest gevoelige ogen die de mensheid ooit heeft gebouwd, waarbij ze zwakke fluisteringen van licht opvangen van de vroegste sterrenstelsels. Om deze verre signalen te zien, vertrouwen astronomen op gespecialiseerde camera's uitgerust met sensoren die infrarood licht kunnen detecteren, een vorm van straling die onzichtbaar is voor het menselijk oog maar rijk is aan kosmische geschiedenis. Deze sensoren zijn echter niet perfect; ze hebben een geheugen. Net zoals een fel licht een blijvend nabeeld op je netvlies kan achterlaten nadat je wegkijkt, kunnen deze gevoelige detectoren een spookbeeld van een heldere bron vasthouden lang nadat de bron uit het zicht is verdwenen. Dit fenomeen, bekend als beeldpersistentie of een latent signaal, betekent dat een pixel die zojuist was overspoeld met licht van een heldere ster, zelfs wanneer deze naar de lege, donkere ruimte kijkt, nog steeds een zwak, afnemend signaal kan registreren. Voor een missie die ontworpen is om de gehele hemel in kaart te brengen, kan dit voortdurende spookbeeld de boel vertroebelen, door nieuwe beelden te vervuilen met de echo's van oude en het moeilijk te maken om de ware achtergrond van het universum te onderscheiden van het eigen hardnekkige geheugen van de sensor.

De SPHEREx-missie, een geplande ruimtetelescoop die ontworpen is om de gehele hemel te onderzoeken, staat voor precies deze uitdaging. De missie zal zes van deze infrarode detectorarrays gebruiken om duizenden foto's te maken terwijl het ruimtevaartuig draait en beweegt van het ene naar het andere deel van de hemel. Het team achter de missie had een manier nodig om te weten welke pixels in hun beelden werden gecorrumpeerd door dit spooksignaal, zodat ze dit ofwel konden corrigeren of als onbetrouwbaar konden markeren. Om dit op te lossen, ontwikkelden onderzoekers Candice Fazara en haar collega's van het Rochester Institute of Technology, het California Institute of Technology en het Jet Propulsion Laboratory een nieuwe methode om deze persistente signalen te voorspellen en te markeren. Ze hadden nog geen gegevens van de werkelijke vluchtcamera's, dus ze maakten gebruik van een testdetector, een reserve-unit die volgens dezelfde specificaties was gebouwd, om te zien hoe de sensoren zich onder gecontroleerde omstandigheden gedroegen.

De onderzoekers bestraalden deze testdetector met een heldere, geconcentreerde lichtstraal, waarbij ze de intense schittering van een heldere ster simuleerden, en observeerden vervolgens wat er gebeurde nadat ze het licht uitschakelden en de sensor resetten. Ze merkten op dat de sensor niet simpelweg donker werd; in plaats daarvan produceerde het een afnemend signaal dat in de loop van de tijd langzaam vervaagde. Door te analyseren hoe dit signaal veranderde, ontdekten ze dat de hoeveelheid resterende lading sterk afhankelijk was van hoe helder het oorspronkelijke licht was en hoe lang de sensor eraan werd blootgesteld. Ze ontdekten dat voor pixels die niet door licht waren overspoeld, het resterende signaal op een voorspelbare manier groeide op basis van de totale hoeveelheid ontvangen licht. Echter, voor de meest intens verlichte pixels werd het gedrag complexer, waarbij sommige pixels een veel sterker signaal vasthielden dan andere, waarschijnlijk door minuscule imperfecties in het sensormateriaal die elektrische ladingen vasthielden.

Om een instrument te creëren dat tijdens de missie in realtime gebruikt kon worden, bouwde het team een wiskundig model dat kon schatten hoeveel van dit spooksignaal er in een gegeven beeld zou blijven. Ze testten dit model tegen hun experimentele gegevens en ontdekten dat hoewel een eenvoudige formule de algemene afname kon beschrijven, het het signaal in de eerste paar minuten na een heldere blootstelling soms onderschatte. Om veilig te zijn, pasten ze hun model aan om het resterende signaal iets te overschatten, om er zeker van te zijn dat elke pixel die potentieel besmet was, zou worden opgemerkt. Ze vertaalden dit vervolgens naar een praktisch systeem: een reeks regels die de computer van het ruimtevaartuig kan volgen. Dit systeem kijkt naar de helderheid van de huidige afbeelding, berekent hoeveel "geheugen" de sensor nog moet hebben van eerdere uitzichten, en markeert elke pixel waar het voorspelde spooksignaal te sterk is om te negeren. Ze stelden twee voorzorgsniveaus in: een lage limiet om zelfs zwakke sporen van het signaal te vangen, en een hogere limiet om alleen de meest voor de hand liggende contaminatie te vangen.

Om te zien of dit systeem in de echte wereld zou werken, voerde het team computersimulaties uit met een virtuele versie van de SPHEREx-missie. Ze voedden het model met een sequentie van twee dagen aan gesimuleerde hemelobservaties, inclusief beelden van heldere sterren en de zwakke gloed van het Zodiacale licht. De simulatie toonde aan dat het model naar behoren werkte en succesvol voorspelde welke pixels zouden worden beïnvloed. De resultaten gaven aan dat na een heldere blootstelling een klein maar constant percentage van de pixels — ongeveer twee procent — gedurende een aanzienlijke tijd gemarkeerd zou blijven als besmet door het spooksignaal. Nog opmerkelijker was dat de simulatie suggereerde dat een veel groter deel van de detector altijd een minuscuul, achterblijvend signaal zou hebben boven de zwakste achtergrondruis, wat een soort "vloer" van persistentie creëert die nooit volledig verdwijnt.

Dit werk biedt het missieteam een cruciaal vangnet. Door gebruik te maken van dit model kan het SPHEREx-team de pixels identificeren en markeren die waarschijnlijk onbetrouwbaar zijn, waardoor wetenschappers die specifieke plekken kunnen corrigeren of kunnen uitsluiten van hun definitieve kaarten. Hoewel het model is gebouwd met een testdetector en steunt op simulaties, biedt het een robuuste manier om met het onvermijdelijke geheugen van de sensoren om te gaan. De onderzoekers erkennen dat het werkelijke gedrag van de vluchtcamera's iets kan verschillen, en ze zijn van plan hun model te verfijnen zodra de missie lanceert en ze de echte detectoren in de ruimte kunnen meten. Voor nu hebben ze een duidelijk pad voor ogen, wat ervoor zorgt dat het spookbeeld van een heldere ster het zwakke, oeroude licht van het universum dat SPHEREx is ontworpen om te vinden, niet zal verduisteren.