GE4000 beobachtet Gammastrahlen-Phänomene

Das Sternberg Astronomieinstitut der Staatsuniversität Moskau nutzt Prosilica GigE Vision Kameras, um Gammastrahlen zu messen.

Das wissenschaftliche Team des staatlichen astronomischen Sternberg-Instituts der Staatsuniversität Moskau führt mit Unterstützung des Unternehmens „Optics“ mit Sitz in Moskau ein Projekt durch, das darauf abzielt, optische Ausbrüche zu erkennen und zu messen. Optische Ausbrüche sind plötzliche optische Erscheinungen am Nachthimmel. Ihr Ursprung variiert, doch bei den häufiger von zeitgenössischen Astrophysikern untersuchten Erscheinungen handelt es sich um plötzliche Ausbrüche von Gammastrahlen (Gamma-Ray-Burst GRB), heftige Explosionen, die am Rand des Universums auftreten.

Das Projekt hat drei Hauptziele: die Nachweisgrenze von Gammabursts, die Suche nach einer optischen Spur solcher Ereignisse und die Untersuchung, ob solche optischen Erscheinungen mit Gammabursts zusammenhängen oder nicht.

Erkennungsmethoden für optische Ausbrüche - Gamma-Ray-Bursts

Astronomen spüren diese Ausbrüche mithilfe zweier Methoden auf: Bei der ersten Methode sendet ein Richtzentrum eines Gammastrahlenobservatoriums (wie z. B. das Scott- oder Fermy-Observatorium) ein Signal zusammen mit Koordinaten über das Internet an andere Observatorien, sobald ein Gammaburst entdeckt wird. Teleskope, die das Signal empfangen, werden dann auf die angegebene Richtung ausgerichtet. Der Prozess dauert mindestens zehn Sekunden. Diese ersten verlorenen Sekunden gelten jedoch als die wichtigsten für die Beobachtung, da dann das Gammaburst-Phänomen am hellsten leuchtet.

Bei der zweiten Methode werden hoch empfindliche Kameras mit einem weiten Bildfeld verwendet, die Hunderte oder Tausende Grad eines Himmelsbereichs abdecken und damit die Chancen erhöhen, dass ein Gammaburst direkt aufgespürt und von Beginn bis Ende aufgezeichnet wird.

Das System des Sternberg-Instituts

Rund um die Welt werden mehrere Kamerasysteme betrieben. Die Astronomen der Staatsuniversität Moskau bauten ihr System auf eine CCD-Kamera auf, da sie konventionelle astronomische Kameras für diese Anwendung für nicht geeignet hielten - dies aufgrund ihrer langen Auslese- und Belichtungszeit, die die Wahrscheinlichkeit des Aufspürens um den Faktor zwei oder drei verringern würde.

Das Sternberg-Institut wählte die 11-Megapixel Kamera Prosilica GE4000 mit GigE-Vision kompatibler Schnittstelle. Die GE4000 verfügt über den qualitativ hochwertigen KAI-11002 CCD-Bildsensor von Kodak, der die hohe Auflösung und Empfindlichkeit bietet, die notwendig ist, um auch die geringste stellare Größe optischer Ausbrüche aufzuspüren.

Das System des Sternberg-Instituts besteht aus einer speziell entworfenen kompakten parallaktischen Montierung, die ein rasches Ausrichten auf die gewünschte Himmelsregion und die Verfolgung von Himmelskörpern synchron mit der täglichen Erddrehung erlaubt. In der Montierung sind zwei GE4000-Kameras installiert. Jede Kamera ist mit einem schnellen 50-mm-f/1,4-Prime-Objektiv von Nikkor für optimale Bilderfassung bei ungünstigen Lichtverhältnissen ausgestattet. Die optischen Achsen der Kameras auf derselben Montierung sind auf dem Himmelsbreitengrad um 13° verschoben, um eine Überlappung zu vermeiden. Die gesamte Himmelsabdeckung des Systems beträgt 2.000 Quadratgrad.

Die Montierung mit den Kameras ist in einem voll robotisierten Gehäuse installiert, das von einem 24V-Gleichstrommotor angetrieben wird. Die Kameramontierung und das Gehäuse werden von einem Rechner betrieben, der sich im Gehäuse befindet und mit dem LAN des Observatoriums verbunden ist. Er wird von speziell entworfenen Controllern gesteuert, die über eine RS485-Verbindung an den Rechner angeschlossen sind.

Ein Steuerprogramm aktiviert das System bei Nacht, wenn der IR-Wolkensensor des Observatoriums einen klaren Himmel meldet. Jede Kamera ist über ein 25 m langes Gigabit-Ethernet-Kabel an einen eigenen Bildverarbeitungsrechner angeschlossen. Diese Rechner werden primär für die Bildverarbeitung eingesetzt. Die Bilderfassung wird vom Steuerprogramm synchronisiert.

Insgesamt drei Systeme wurden vom Sternberg-Institut aufgestellt: zwei nahe Kislovodsk im Nordkaukasus im Pulkovo-Observatorium, dem Standort des neuen Teleskops mit 2,5 Meter Blendenöffnung, und eines in Irkutsk, Sibirien. Der letztere Standort wurde aufgrund des Zeitunterschieds von 5 Stunden zu Moskau (und des damit verbundenen früheren Einbruchs der Dunkelheit) ausgewählt.

Technische Fragen

Der Erfolg der Erkennung schwacher Signale hängt vom Signal-Stör-Verhältnis des CCD ab. Das Sternberg-Institut verwendete eine astronomische Methode zur Quantifizierung der Rauscheigenschaften der GE4000. Der Unterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Einzelbildern, die auf einem gleichmäßig ausgeleuchteten CCD aufgenommen werden, hängt von der gesamten Signalmenge ab, die sowohl den Analog/Digital-Wandlungsfaktor als auch die Ausleseverzerrung bestimmt. Das Institut stellte ein sehr geringes Ausleserauschen fest.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor sind die Hot Pixel. Hot Pixel dürfen in der Erkennungssoftware nicht mit den Sternaufnahmen vermischt werden. Nach verschiedenen Tests gelangte das Sternberg-Institut zu dem Schluss, dass die Position von Hot Pixeln auf dem CCD und deren Stärke ausreichend stabil ist, um eine Karte zu erstellen, mit deren Hilfe dann die Bilder vor der Bestimmung der Quelle maskiert werden.

Das System muss in der Lage sein, bei Temperaturen unter 0 °C zu arbeiten. Beide Kameras GE4000 funktionierten bei Temperaturen um -20 °C gut und erzeugten im Daueraufnahmemodus genug Wärme, um alle Funktionen aufrechtzuerhalten.

Das System in der Praxis

Nach dem Erkennen eines Gammabursts wird das System auf die jeweilige Himmelsregion ausgerichtet und die fortlaufende Bilderfassung wird gestartet. Die Belichtungszeit wird auf 5 Sekunden gesetzt, um die Erfassung der Bursts zu optimieren, und fünf- bis neuntausend Bilder werden pro Beobachtungsnacht von jeder Kamera aufgenommen.

Die für die Kameras reservierten Rechner erfassen und speichern die Bilder, führen Objekterkennung und Messungen durch, konvertieren deren Koordinaten und senden eine Liste der erkannten Objekte an den zentralen Server. Letzterer analysiert die Daten unter Verwendung spezifischer Koinzidenzkriterien, Sterndatenbanken und verschiedener Kataloge, um den wahrscheinlichen Ursprung der entdeckten Ereignisse zu bestimmen.

Die Bildverarbeitungs- und Steuerungssoftware wurde mit Prosilica SDK in C++ programmiert.