Image persistence flagging for SPHEREx

在深空寂静、冰冻的沉默中，望远镜充当着人类建造的最灵敏的眼睛，捕捉着来自早期星系微弱的光之低语。为了观测这些遥远的信号，天文学家依赖于配备了能够探测红外光的传感器的专用相机，红外线是一种对肉眼不可见但富含宇宙历史的形式。然而，这些传感器并非完美无缺；它们拥有记忆。就像当你移开视线后，强光会在视网膜上留下持久的残像一样，这些敏感的探测器在亮源移出视野后，仍会长时间保留其留下的幽灵。这种被称为“图像持久性”或“滞后信号”的现象，意味着一个刚刚被明亮恒星光芒淹没的像素，即使在观察空旷黑暗的空间时，也可能继续记录下一个微弱且衰减的信号。对于一项旨在绘制整个天空的任务而言，这种挥之不去的幽灵会使水质变浑浊，用旧信号的回响污染新图像，使得人们难以将宇宙真实的背景与传感器自身顽固的记忆区分开来。

SPHEREx 任务是一项旨在勘测整个天空的计划中的空间望远镜任务，它正面临着这一确切的挑战。它将使用六个此类红外探测器阵列，在航天器转向并从一片天空移动到另一片天空的过程中拍摄数千张照片。该任务背后的团队需要一种方法，来了解图像中的哪些像素正受到这种幽灵信号的干扰，以便他们可以对其进行修正或将其标记为不可靠。为了解决这个问题，来自罗彻斯特理工学院、加州理工学院和喷气推进实验室的研究员坎迪斯·法扎拉（Candice Fazara）及其同事开发了一种预测并标记这些持久信号的新方法。由于他们当时还没有实际飞行相机的观测数据，因此他们转而使用一个测试探测器——一个按照相同规格制造的备用单元——来观察传感器在受控条件下的表现。

研究人员用一束强烈的、集中的光照射这个测试探测器，模拟明亮恒星的强烈眩光，然后观察在关闭光源并重置传感器后发生了什么。他们观察到，传感器并没有简单地变暗；相反，它产生了一个随时间缓慢消退的衰减信号。通过分析该信号的变化方式，他们发现残留电荷的量很大程度上取决于原始光线的亮度以及传感器暴露在光下的时长。他们发现，对于未被强光淹没的像素，残留信号会根据接收到的总光量以可预测的方式增长。然而，对于那些受光最剧烈的像素，其行为变得更加复杂，一些像素比其他像素保留了更强的信号，这可能是由于传感器材料中微小的缺陷捕捉了电荷。

为了创建一个能在任务期间实时使用的工具，团队构建了一个数学模型，可以估算任何给定图像中会残留多少这种幽灵信号。他们利用实验数据对该模型进行了测试，发现虽然一个简单的公式可以描述一般的衰减过程，但有时会低估强曝光后最初几分钟内的信号。为了保险起见，他们调整了模型，使其略微高估残留信号，从而确保任何可能受到污染的像素都能被捕捉到。随后，他们将此转化为一个实用的系统：一套航天器计算机可以遵循的规则。该系统会查看当前图像的亮度，计算传感器针对之前的观测视图应该还保留多少“记忆”，并标记出任何预测幽灵信号过强而无法忽视的像素。他们设置了两个警戒级别：一个较低的限值用于捕捉极其微弱的信号痕迹，以及一个较高的限值用于仅捕捉最明显的污染。

为了验证该系统在现实世界中的有效性，团队使用虚拟版本的 SPHEREx 任务进行了计算机模拟。他们向模型输入了两天时长的模拟天空观测序列，其中包括明亮恒星的观测和黄道光（Zodiacal light）的微弱光辉。模拟显示，该模型按预期工作，成功预测了哪些像素会受到影响。结果表明，在一次强曝光之后，一小部分但比例稳定的像素（约 2%）会在相当长的一段时间内被标记为受幽灵信号污染。更值得注意的是，模拟表明，探测器的很大一部分始终存在着高于最微弱背景噪声的微小残留信号，形成了一种永不完全消失的持久性“底噪”。

这项工作为任务团队提供了一个至关重要的安全保障。通过使用该模型，SPHEREx 团队可以识别并标记那些可能不可靠的像素，从而允许科学家对数据进行修正或将这些特定位置从最终地图中剔除。尽管该模型是使用测试探测器构建的，并依赖于模拟，但它为处理传感器不可避免的记忆提供了一种稳健的方法。研究人员承认，实际飞行相机的行为可能会略有不同，他们计划在任务发射后、能够测量真实探测器时对模型进行优化。目前，他们已经建立了一条清晰的前进路径，确保明亮恒星的幽灵不会遮蔽 SPHEREx 旨在寻找的宇宙中那古老而微弱的光芒。