地基时域天文

时域天文学是研究天文对象和独特事件如何随时间变化变化的学科。它通过对超新星、伽马射线暴等事件的调查研究星系和恒星演化的极端阶段，提供了一种替代理解方法。

时域天文学是研究天文对象和独特事件如何随时间变化变化的学科。它通过对超新星、伽马射线暴等事件的调查研究星系和恒星演化的极端阶段，这些事件指示大质量恒星坍缩及中子星或黑洞的形成，以及变星、脉冲星等对象，不一而足。这些事件的特征可以是周期性、随机性和爆发性的，各对象和事件之间变化各异。这使时域天文学成为天文学和天体物理学中具有挑战性的关键领域。

时域天文学覆盖大部分电磁波谱。它既利用专用卫星观测被大气吸收的光谱区域，也利用专用的地基全机器人望远镜。这些系统协同工作，捕获光学、红外和无线电波，描述与每个天文对象或事件相关的完整电磁轮廓。通常，专用卫星检测到新事件后，会触发远程机器人望远镜指向该事件（或对象）并开始采集。

捕获这些变对象的时域信息可采用不同方法。成像是可视化这些时变变化的有用技术，光谱学通常用于研究每个对象或事件的化学成分。偏振测量是时域天文学中另一种常用技术，用于理解相关磁场变化。这对伽马射线暴尤其有用，偏振光可突出暴磁场内的变化。

这些事件的时间尺度可差异巨大，有些仅持续数毫秒，有些则持续数年。由于这些事件是独特的，用于在极短时间尺度上捕获任何变化的设备必须优化。

由于这些天文事件差异很大，每个都真正独特，光源强度通常未知。为避免潜在饱和传感器，通常以短曝光时间拍摄大量帧。虽然这种方法降低了饱和可能性，但较短的曝光时间限制了可检测的光子数量。因此，高量子效率对于确保检测到的高比例光子转化为光电子进而成为信号至关重要。

高量子效率也很重要，因为在时域天文学中长时间积分不可行。一旦天文事件结束，它们通常会衰减，有时在数分钟内。更高的量子效率使得即使事件已结束（即测量事件的残余信号），仍可检测到这些更弱的信号。

为了在事件衰减期间最大程度利用采集的信息，采集的图像通常进行叠加。为保持这些叠加图像的高信噪比，需要低读出噪声，以便仍能检测到事件中更暗的恒星或方面。叠加帧时，不仅信号被求和，读出噪声也被求和，因此低读出噪声至关重要。计算叠加还可部分校正大气湍流，使低读出噪声与高量子效率同样不可或缺。

由于这些事件/对象独特且在如此短的时间尺度上成像，真实亮度未知。为确定真实亮度，还会在帧内成像具有已知亮度的参考星。通过测量较短曝光时间如何影响任何参考星的亮度并与参考星已知亮度比较，可获得事件/对象的真实亮度。每幅图像中参考星越多，图像校准越好。因此，传感器物理面积越大，越有利于图像和亮度比较。

COSMOS 是 Teledyne Princeton Instruments 的大画幅背照 CMOS 相机，具备时域天文学所需的诸多相机品质。作为背照式相机，COSMOS 在可见范围内具有高量子效率，峰值量子效率 >90%，如图 2 所示。这意味着即使曝光时间较短，也能将高比例光子转化为光电子。COSMOS 还具有低读出噪声，可低至 0.7 e-。这使 COSMOS 不仅适合成像事件的早期阶段或对象，也适合检测任何事件余辉。这种低读出噪声也有利于帧叠加，即使在叠加帧读出噪声时仍保持高信噪比。

COSMOS 具有大成像面积，提供 3k x 3k、6k x 6k 和 8k x 8k 格式，均为 10 µm 像素。COSMOS 传感器对角线分别为 43 mm、92 mm 和 115 mm，如图 3 所示。这些大成像面积使每帧可捕获多颗参考星，确保高水平的图像比较和校准。

由于低暗电流和大传感器面积，全帧 CCD 传统上用于时域天文学。为在读出期间完全阻挡任何入射光，全帧 CCD 使用机械快门。机械快门寿命有限，在相机大量使用时常需频繁更换。这对用于时域天文学的望远镜可能成问题，因为它们通常是全机器人远程望远镜，维护可能具有挑战性。

此外，开合机械快门相对较慢，对时域天文学所必需的较短曝光时间引入定量误差。由于 COSMOS 是 CMOS 探测器，它使用快速电子快门，在读出前将检测到的光电子移入帧存储区以停止曝光。电子快门不仅比机械快门更精确，还减少探测器死区时间（相机未对光曝光的时间）。这意味着可在从存储区读出信号的同时开始后续曝光，从而捕获整个事件，而非周期性片段。

由于时域天文学依赖专用卫星与地基望远镜的协同，望远镜通常为机器人远程控制。因此，任何相机或设备必须能轻松集成到现有软件中至关重要。COSMOS 将完全由 Teledyne Princeton Instruments 的软件开发套件 PICam 控制。PICam 适用于 Linux 和 64 位 Windows，可在任一操作系统中完全控制 COSMOS。PICam 提供对相机的直接控制，配置灵活，并可与 Python 等其他语言集成。这样，COSMOS 可轻松集成到控制任何远程机器人望远镜的软件中。

时域天文学研究天文对象和事件如何随时间变化和演变。这是一个利用多种不同技术以尽可能了解每个独特事件的研究领域。

通常，时域天文学以短曝光时间拍摄多幅图像以防止传感器饱和，需要具有高量子效率和低读出噪声的相机/设备（叠加帧时保持高信噪比）。此外，由于每个事件独特，真实亮度未知，因此需要多颗参考星以确保感兴趣对象的校准。要在图像中测量多颗参考星，需要大的物理传感器面积。

COSMOS 峰值量子效率 >90%、读出噪声低至 0.7 e-、传感器尺寸最大达 8k x 8k 像素、对角线 115 mm，满足时域天文学的基本参数。此外，其电子快门减少的误差以及用于完全控制并集成到 Linux 等操作系统的软件开发套件，使 COSMOS 成为时域天文学的最佳选择。

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