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

在宇宙悠久的历史深处，来自遥远星系的光穿越数十亿年到达我们这里，携带着关于恒星和行星如何形成的秘密。为了解读这些秘密，天文学家依赖于能够捕捉这些微弱光线并将其分解成彩虹色谱的仪器，这一过程被称为光谱学。执行这项任务最强大的工具之一是安装在哈勃空间望远镜上的宇宙起源光谱仪（Cosmic Origins Spectrograph）。自2009年安装以来，它已经捕捉到了数千幅宇宙图像，专门研究被称为“远紫外”的一段光谱。这种不可见的光对于研究炽热、年轻的恒星以及它们之间的气体至关重要，但它也是光谱中对望远镜传感器最具能量且最具破坏性的部分。

宇宙起源光谱仪内部的传感器工作起来就像一个高度灵敏的照相机，通过计数单个光子来工作。然而，随着时间的推移，这些粒子的持续轰击会削弱传感器的响应能力，就像轮胎缓慢泄气一样。随着传感器的减弱，它产生的图像会变得模糊或失去细节。为了解决这个问题，望远镜团队制定了一项策略：每隔几年将目标移动到传感器上一个新鲜的、未被使用的位置。这能保持仪器的清晰度，但可用位置的数量受到望远镜内部运行软件的严格限制。现在，一种新方法已被设计出来打破这一限制，确保望远镜能够持续工作到2030年代。

十多年来，宇宙起源光谱仪一直是哈勃空间望远镜的中流砥柱，捕捉紫外光下的宇宙详细视图。该仪器使用一种特殊的探测器，通过记录撞击传感器的光子（即光粒子）来进行计数。每当一个光子到达时，探测器都会记录它落下的确切位置以及信号强度。随着连续使用多年，传感器的灵敏度自然会下降，这种现象被称为“增益跌落”（gain sag）。当传感器在某一区域变得过于微弱时，来自遥远天体的微弱信号就无法与背景噪声区分开来，导致数据丢失。为了补偿这一点，望远镜团队会调整观测台的指向，将目标的视野转移到探测器上不同的、未使用过的区域。这些特定的位置被称为“寿命位置”（Lifetime Positions）。

自该仪器安装以来，团队已成功将观测移动到传感器的多个新位置。到2025年，他们已经定义了八个此类位置，并计划在不久的将来增加两个。然而，望远镜的机载软件存在一个硬性限制：它只能存储八个位置的指令。随着传感器的持续老化，团队意识到，仅靠八个位置不足以让仪器在未来十年内保持最佳质量运行。最显而易见的解决方案是重写软件以允许更多位置，但这将需要在望远闻绕地球运行的过程中，对望远镜的计算机系统进行大规模且高风险的彻底改造。另一种选择是简单地重复使用旧位置，但这会使数据处理复杂化，并混淆观测的时间线。

研究人员没有去对抗软件限制，而是找到了一个巧妙的绕过方法。他们开发了一种被称为“LP-Infinity”的新策略，该策略允许望远镜使用尽可能多的位置，而无需更改机载计算机代码。其工作原理是在单次观测开始前，临时更新该次观测的指令。想象一下，望远镜的计算机有一本只有八页的小笔记本，每一页都专门用于一个特定位置。团队不再尝试增加笔记本的页数，而是在每次新观测之前更换最后一页的内容。他们将旧指令替换为新位置的指令，拍摄照片，然后系统即可准备进行下一次观测。这种动态补丁的过程发生得极快，以至于望远镜表现得好像拥有无限数量的位置可用一样。

这种方法不需要对哈勃空间望远镜本身进行物理更改，但它确实要求对向卫星发送命令的地面系统进行重大更新。团队必须确保新指令被正确发送，并且望远镜的软件能够处理这些快速变化而不出错。新系统被迅速实施，第一次使用该方法进行的观测发生在2025年末。通过跳过序列中的数字8并从10开始新的序列，团队避免了旧的固定位置与新的灵活位置之间的任何混淆。这种变化使他们能够根据每次观测的具体需求（例如所研究的光类型或传感器的状态）来定义新的位置。

这一创新的益处是巨大的。它赋予了团队自由，可以为每一次观测将望远镜的视野移动到传感器的最佳位置，而不是被迫使用预定义的列表。他们现在可以将目标的视野放置在具有特定波长所需适度灵敏度的位置，或者避开传感器上出现的缺陷区域。这种灵活性意味着即使在传感器继续老化的情况下，宇宙起源光谱仪也能继续产生高质量的数据。团队已经规划了使用这些新位置直到2030年代的计划，确保该仪器在其原始五年设计寿命过后仍能作为重要的天文工具。

该项目的成功依赖于对传感器如何随时间退化以及望远镜光学系统如何与探测器不同部分相互作用的深刻理解。研究人员利用详细的模型来预测传感器的哪些区域仍能保持足够强度以捕捉清晰图像，以及哪些区域会失效。他们还必须考虑物理限制，例如望远镜孔径的机械范围以及传感器上存在的“热点”或死区（这些区域不能使用）。通过仔细选择避开这些问题区域的新位置，团队确保了收集到的数据保持可靠。新方法还允许根据所使用的特定光栅或滤光片，为同一个目标定义多个位置，这提供了此前无法实现的控制水平。

展望未来，预计宇宙起源光谱仪将运行至下一个十年，提供连续的数据流，从而填补哈勃空间望远镜与其未来继任者——宜居世界天文台（Habable Worlds Observatory）之间的空白。LP-Infinity策略确保了探测器不会成为获取高质量紫外光谱的限制因素。随着传感器的持续老化，团队将继续完善他们的模型并根据需要调整位置，使该仪器始终处于天文发现的前沿。这项工作证明，即使面对老化的硬件，创造性的工程和软件解决方案也能延长空间望远镜的寿命和能力，让我们能够比以往更深入地观察宇宙。