LP-Infinity: overcoming limits to the number of lifetime positions in the COS FUV channel

Diep in de geschiedenis van het universum reist het licht van verre sterrenstelsels miljarden jaren om ons te bereiken, dragend met zich de geheimen over hoe sterren en planeten zijn gevormd. Om deze geheimen te kunnen lezen, vertrouwen astronomen op instrumenten die dit zwakke licht kunnen opvangen en uiteen kunnen rafelen in een regenboog van kleuren, een proces dat spectroscopie wordt genoemd. Een van de krachtigste hulpmiddelen voor deze taak is de Cosmic Origins Spectrograph, een apparaat bevestigd aan de Hubble-ruimtetelescoop. Sinds de installatie in 2009 heeft het duizenden afbeeldingen van het kosmos vastgelegd, waarbij specifiek wordt gekeken naar een deel van het lichtspectrum dat het Ver Ultraviolet wordt genoemd. Dit onzichtbare licht is cruciaal voor het bestuderen van hete, jonge sterren en het gas tussen hen in, maar het is ook het meest energetische en schadelijke deel van het spectrum voor de sensoren van de telescoop.

De sensor binnen de Cosmic Origins Spectrograph werkt als een zeer gevoelige camera die individuele lichtdeeltjes telt. Na verloop van tijd vermindert de constante bombardement van deze deeltjes echter het vermogen van de sensor om te reageren, vergelijkbaar met een band die langzaam lucht verliest. Naarmate de sensor verzwakt, worden de door hem geproduceerde afbeeldingen wazig of verliezen ze detail. Om dit op te lossen, heeft het telescoopteam een strategie ontwikkeld om het doelwit om de paar jaar naar een nieuwe, ongebruikte plek op de sensor te verplaatsen. Dit houdt het instrument scherp, maar het aantal beschikbare plekken werd strikt beperkt door de software die in de telescoop draait. Nu is er een nieuwe methode bedacht om die limiet te doorbreken, zodat de telescoop zijn werk goed tot in de jaren 2030 kan voortzetten.

Al meer dan een decennium is de Cosmic Origins Spectrograph het werkpaard van de Hubble-ruimtetelescoop, waarbij gedetailleerde beelden van het universum in ultraviolet licht wordt vastgelegd. Het instrument gebruikt een speciale detector die fotonen, of lichtdeeltjes, telt wanneer ze de sensor raken. Elke keer dat een foton arriveert, registreert de detector precies waar het landde en hoe sterk het signaal was. Door jarenlang continu gebruik neemt de gevoeligheid van de sensor natuurlijk af, een fenomeen dat bekend staat als 'gain sag'. Wanneer de sensor te zwak wordt in één gebied, kunnen de zwakke signalen van verre objecten niet langer worden onderscheiden van de achtergrondruis, en gaat de data verloren. Om dit te compenseren, past het telescoopteam de oriëntatie van het observatorium aan, waarbij het zicht op het doelwit wordt verschoven naar een ander, ongebruikt deel van de detector. Deze specifieke locaties worden Lifetime Positions genoemd.

Sinds de installatie van het instrument heeft het team de waarnemingen al enkele malen succesvol naar nieuwe plekken op de sensor verplaatst. Tegen 2025 hadden ze acht van deze posities gedefinieerd, met nog twee gepland voor de nabije toekomst. Er bestond echter een harde limiet in de onboard-software van de telescoop: deze kon slechts instructies voor acht posities opslaan. Naarmate de sensor ouder werd, realiseerde het team zich dat acht plekken niet genoeg zouden zijn om het instrument op zijn beste kwaliteit te laten functioneren tijdens het volgende decennium. De meest voor de hand liggende oplossing zou geweest zijn om de software te herschrijven om meer plekken toe te staan, maar dat zou een massale, risicovolle herziening van de computersystemen van de telescoop hebben vereist terwijl deze in een baan om de aarde draaide. Een andere optie was om de oude plekken simpelweg te hergebruiken, maar dat zou de gegevensverwerking compliceren en de tijdlijn van de waarnemingen in verwarring brengen.

In plaats van tegen de softwarelimiet te vechten, vonden de onderzoekers een slimme manier om eromheen te werken. Ze ontwikkelden een nieuwe strategie, die ze LP-Infinity noemen, waarmee de telescoop zoveel posities kan gebruiken als nodig is zonder de onboard-computer code te wijzigen. De methode werkt door de instructies voor een enkele waarneming tijdelijk bij te werken vlak voordat deze begint. Stel je voor dat de computer van de telescoop een klein schrift heeft met acht pagina's, die elk gewijd zijn aan een specifieke locatie. In plaats van meer pagina's aan het schrift toe te voegen, verandert het team nu de inhoud van de laatste pagina vlak voor elke nieuwe waarneming. Ze wisselen de oude instructies in voor de nieuwe locatie, maken de foto, en dan is het systeem klaar voor de volgende. Deze dynamische patching gebeurt zo snel dat de telescoop zich gedraagt alsof hij over een onbeperkt aantal plekken beschikt.

Deze aanpak vereiste geen fysieke wijzigingen aan de Hubble-ruimtetelescoop zelf, maar het vereiste wel een significante update van de grondstationsystemen die commando's naar de satelliet sturen. Het team moest ervoor zorgen dat de nieuwe instructies correct werden verzonden en dat de software van de telescoop de snelle veranderingen zonder fouten kon afhandelen. Het nieuwe systeem werd snel geïmplementeerd, waarbij de eerste waarnemingen met deze methode plaatsvonden in de late jaren 2025. Door het getal acht in de sequentie over te slaan en de nieuwe reeks bij tien te laten beginnen, voorkwam het team enige verwarring tussen de oude, vaste posities en de nieuwe, flexibele posities. Deze verandering stelt hen in staat om nieuwe posities te definiëren op basis van de specifie behoeften van elke waarneming, zoals het type licht dat wordt bestudeerd of de conditie van de sensor op dat moment.

De voordelen van deze innovatie zijn aanzienlijk. Het geeft het team de vrijheid om het zicht van de telescoop te verplaatsen naar de best mogende plek op de sensor voor elke individuele waarneming, in plaats van gedwongen te zijn een vooraf gedefinieerde lijst van locaties te gebruiken. Ze kunnen het zicht van een doelwit nu plaatsen op een plek die net de juiste hoeveelheid gevoeligheid heeft voor een specifieke golflengte van het licht, of gebieden van de sensor vermijden die defecten hebben ontwikkeld. Deze flexibiliteit betekent dat de Cosmic Origins Spectrograph zelfs naarmate de sensor ouder wordt, kwalitatief hoogwaardige gegevens kan blijven produceren. Het team heeft al een plan uitgestippeld voor het gebruik van deze nieuwe posities tot in de jaren 2030, wat ervoor zorgt dat het instrument een essentieel instrument voor de astronomie blijft, lang nadat de oorspronkelijke ontwerplevensduur van vijf jaar is verstreken.

Het succes van dit project rust op een diep begrip van hoe de sensor degradeert in de loop van de tijd en hoe de optica van de telescoop interageert met verschillende delen van de detector. De onderzoekers gebruikten gedetailleerde modellen om te voorspellen waar de sensor sterk genoeg zou blijven om heldere afbeeldingen vast te leggen en waar deze zou falen. Ze moesten ook rekening houden met fysieke beperkingen, zoals het mechanische bereik van de aperture van de telescoop en de aanwezigheid van "hot spots" of dode gebieden op de sensor die niet gebruikt kunnen worden. Door zorgvuldig nieuwe posities te selecteren die deze probleemgebieden vermijden, zorgt het team ervoor dat de verzamelde gegevens betrouwbaar blijven. De nieuwe methode maakt het ook mogelijk om meerdere posities te definiëren voor hetzelfde doelwit, afhankelijk van de specifieke grating of filter die wordt gebruikt, wat een niveau van controle biedt dat voorheen onmogelijk was.

Vooruitblikkend wordt verwacht dat de Cosmic Origins Spectrograph nog goed in de loop van het volgende decennium zal opereren, waarbij een continue stroom van gegevens wordt geleverd die de kloof zal overbruggen tussen de Hubble-ruimtetelescoop en haar toekomstige opvolger, de Habitable Worlds Observatory. De LP-Infinity-strategie zorgt ervoor dat de detector niet de beperkende factor zal zijn bij het verkrijgen van hoogwaardige ultraviolette spectra. Naarmate de sensor ouder wordt, zal het team hun modellen blijven verfijnen en de posities naar behoefte aanpassen, waardoor het instrument in de voorlinie van astronomische ontdekkingen blijft. Dit werk demonstreert dat zelfs met verouderde hardware, creatieve engineering en softwareoplossingen de levensduur en capaciteit van ruimtetelescopen kunnen verlengen, waardoor we dieper in het universum kunnen blijven kijken dan ooit tevoren.