介紹

時域天文學是研究天文物體和獨特事件如何隨時間變化的學科。它通過研究超新星和伽馬射線暴等事件，以及可變脈沖星和恒星等物體，提供了一種理解星系和恒星演化極端階段的替代方法。這些事件的特征可以是周期性的、隨機的和突發性的，在所有對象和事件中都有變化。這使得時域天文學成為天文學和天體物理學中一個具有挑戰性的關鍵領域。

時域天文學涵蓋了大部分電磁波譜。它既利用專門的衛星來觀察被大氣層吸收的電磁頻譜區域，也利用專門的地面全機器人望遠鏡。這些系統協同工作，捕捉光學、紅外和無線電波，描述與每個天文物體或事件相關的完整電磁剖面。通常，專用衛星會檢測到一個新的事件，觸發遠程機器人望遠鏡指向事件(或物體)并開始采集。

有不同的方法用于捕捉這些可變對象的時間信息。成像是可視化這些時間變化的有用技術，光譜學通常用于觀察每個物體或事件的化學成分。偏振測量是時域天文學中另一種常用的技術，用于了解磁場的相關變化。這對伽馬射線爆發特別有用，偏振光突出了爆發磁場內的變化。

這些事件在時間尺度上可能會有很大的變化，有些事件只持續幾毫秒，有些則持續幾年。由于這些事件是獨特的，因此優化用于在非常小的時間尺度上捕捉任何變化的設備至關重要。

攝像頭/傳感器要求

由于這些天文事件之間有很多差異，每一個都是真正獨特的，因此光源的光強通常是未知的。為了避免傳感器可能飽和，通常在短曝光時間內拍攝大量幀。盡管這種方法降低了飽和的可能性，但較短的曝光時間限制了可以檢測到的光子數量。因此，高量子效率對于確保檢測到的高比例光子被轉換為光電子并因此轉換為信號是至關重要的。

高量子效率也很重要，因為在時域天文學中，長時間的積分是不可行的。一旦天文事件結束，它們通常會消退，有時會在幾分鐘內消退。更高的量子效率允許即使事件已經結束(即，測量來自事件的殘余信號)，仍然可以檢測到這些較微弱的信號。

為了最大限度地利用在事件消退期間收集的信息，采集的圖像通常是堆疊的。為了保持這些堆疊圖像的高信噪比，需要低讀取噪聲，以便仍然可以檢測到較暗的恒星或事件/物體的各個方面。當堆疊幀時，不僅對信號求和，而且對讀取噪聲求和，因此低讀取噪聲是必不可少的。計算堆疊還允許對大氣湍流進行部分校正，使低讀取噪聲與高量子效率一樣積分。

由于這些事件/物體是獨特的，并且在如此短的時間尺度上成像，因此真實的亮度是未知的。為了確定真正的亮度，具有已知亮度的參考恒星也會在幀內成像。通過測量較短的曝光時間如何影響任何參考恒星的亮度，并與參考恒星的已知亮度進行比較，可以獲得事件/物體的真實亮度。每個圖像中的參考恒星越多，圖像校準就越好。因此，傳感器的物理面積越大，圖像和亮度比較就越好。

時域天文學COSMOS

COSMOS是Teledyne Princeton Instruments的大幅面背光CMOS相機，具有時域天文學所需的許多相機質量。當它被背光照射時，COSMOS在可見光范圍內具有高量子效率，峰值量子效率>90%，如圖2所示。這意味著它將能夠將高百分比的光子轉換為光電子，即使曝光時間更短。COSMOS還具有低讀取噪聲，能夠實現低至0.7的電子讀取噪聲。這使得COSMOS不僅適用于對事件或物體的早期階段進行成像，還適用于檢測任何事件的余輝。這種低讀取噪聲對于幀的堆疊也是有利的，即使在對幀讀取噪聲求和的情況下也保持高信噪比。

圖2:COSMOS相機的量子效率曲線，顯示了在可見光范圍內的高量子效率和>90%的峰值量子效率。

COSMOS具有大的成像面積，具有3k x 3k、6k x 6k和8k x 8k格式，均具有10μm像素。COSMOS的傳感器對角線分別為43 mm、92 mm和115 mm，如圖3所示。這些大的成像區域允許在每個幀內捕獲多個參考恒星，確保高水平的圖像比較和校準。

圖3：三種COSMOS傳感器型號的代表性傳感器尺寸，3k x 3k的傳感器對角線為43 mm，6k x 6k的傳感器對角為92 mm，8k x 8k的傳感器斜角為115 mm。

由于暗電流低和傳感器面積大，傳統上在時域天文學中使用全幀CCD。為了在讀出期間完全阻擋任何入射光，全幀CCD使用機械快門。機械快門的使用壽命有限，在相機大量使用時經常需要更換。這對時域天文學中使用的望遠鏡來說可能是個問題，因為它們通常是全機器人的遠程望遠鏡，這意味著維護可能很有挑戰性。

此外，打開和關閉機械快門相對較慢，這對時域天文學至關重要的較短曝光時間會帶來定量誤差。由于COSMOS是一種CMOS探測器，它利用了一個快速的電子快門，在讀出之前，通過將檢測到的光電子轉移到幀存儲區域來停止曝光。電子快門不僅比機械快門更精確，而且可以減少檢測器的死區時間，在此期間相機不會暴露在光線下。這意味著，當信號從存儲區域讀出時，后續曝光就可以開始了，從而可以對整個事件進行圖像捕獲，而不是周期性的片段。

由于時域天文學依賴于專用衛星和地面望遠鏡之間的協同作用，因此望遠鏡通常是機器人和遠程控制的。因此，關鍵是任何相機或設備都可以輕松地集成到現有的軟件中。COSMOS將完全由Teledyne Princeton Instruments的軟件開發套件PICam控制。PICam可用于Linux和64位Windows，允許在這兩種操作系統中完全控制COSMOS。PICam提供對相機的直接控制，具有靈活的配置和與Python等其他語言的集成。通過這種方式，COSMOS可以很容易地集成到控制任何遠程機器人望遠鏡的軟件中。

結論

時域天文學是研究天文物體和事件如何隨時間變化的學科。這是一個利用許多不同技術來了解每一個獨特事件的研究領域。

通常，時域天文學以短曝光時間拍攝多個圖像，以防止傳感器飽和，這需要具有高量子效率和低讀取噪聲的相機/設備(以在堆疊幀時保持高信噪比)。此外，由于每個事件都是唯一的，真實亮度是未知的，因此需要多顆參考恒星來確保感興趣物體的校準。為了測量圖像中的多個參考恒星，需要一個大的物理傳感器區域。

COSMOS的峰值量子效率>90%，讀取噪聲低至0.7 e-，傳感器尺寸在8k x 8k像素下可達115 mm對角線，滿足時域天文學的基本參數。此外，其電子快門的誤差減少，以及與Linux等操作系統集成的用于完全控制的軟件開發套件，使COSMOS成為時域天文學的理想選擇。

審核編輯 黃宇