ทุกด้านของเมทริกซ์

ทุกด้านของเมทริกซ์

Marat Musin
"กลศาสตร์ยอดนิยม" №5, 2016

นักดาราศาสตร์ที่ Kitt-Peak Observatory กำลังพยายามนำเสนอทางเลือกในการปรับเปลี่ยนเลนส์ – CCDs ด้วยการถ่ายโอนข้อมูลแบบออร์โธโกนอล

กับพื้นหลังของกล้องโทรทรรศน์ในตำนาน ออลล์ และกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกที่ทำงานที่ Kitt Peak Observatory กล้องโทรทรรศน์ WIYN ไม่ได้เป็นที่ยิ่งใหญ่และอาจสูญหายได้ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีล่าสุดที่ใช้กับมันวางไว้บนเสมอกับเครื่องมือที่ทะเยอทะยานมากที่สุดของดาราศาสตร์บก

ชื่อของกล้องโทรทรรศน์ WIYN เป็นเพียงตัวอย่างจดหมายสี่ฉบับแรกของมหาวิทยาลัยวิสคอนซินแมดิสัน (W) มหาวิทยาลัยอินเดียนาในบลูมิงตัน (I) มหาวิทยาลัยเยล (Y) และหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ทางแสงแห่งชาติ (N) ตั้งแต่ปี 2014 เยลออกจากกลุ่มและสถานที่ของเขาถูกยึดครองโดยมหาวิทยาลัยมิสซูรี แต่ยังคงมีชื่ออยู่

ทรายและหิน

บนโลกใบนี้ไม่มีสถานที่มากมายที่สภาพภูมิศาสตร์และภูมิอากาศมีการพัฒนาขึ้นสำหรับนักสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ในลักษณะที่ดีที่สุด นี่เป็นทะเลทรายที่แห้งแล้งของชิลีที่เมือง Atacama มีหอสังเกตการณ์ VLT ขนาด 8.2 เมตรและกล้องโทรทรรศน์ขนาดยักษ์มิลลิเมตร ALMAนี่คือ Mount Mauna Kea ในฮาวายซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์มากกว่าที่อื่น ๆ บนดาวเคราะห์และที่ราบสูงแอนตาร์กติกาซึ่งเป็นที่ราบ 10 เมตร กล้องโทรทรรศน์ขั้วโลกใต้. ทะเลทรายโซโนราร์บนพรมแดนของสหรัฐอเมริกาและเม็กซิโกยังตั้งอยู่ในแถวเดียวกัน: Kitt Peak National Observatory ทำงานที่นี่

โซโนราซึ่งเป็นหนึ่งในทะเลทรายที่ใหญ่ที่สุดแห้งและร้อนของทวีปอเมริกาเหนือครอบครองอาณาเขตของหลายรัฐ ชาวอินเดียนแดงที่นี่อาศัยอยู่ในชนเผ่า Papago – "Tohono-Oodham", "คนในทะเลทราย" ใกล้กับคน Pima ภูเขา Kitt-Peak ที่สูงตระหง่านเหนือภูมิประเทศ (ในภาษาท้องถิ่น Oodham – Loligam) ยังคงศักดิ์สิทธิ์สำหรับพวกเขา แต่ไม่มากเท่ากับยอดเขา Babokvivari ที่อยู่ห่างออกไปเพียงเล็กน้อย ดังนั้นจึงไม่เหมือนกับชาวพื้นเมืองของฮาวายที่เพิ่งปิดกั้นการสร้างกล้องโทรทรรศน์ 30 เมตรใหม่ที่เมือง Mauna Kea ชาวอินเดียนแดงได้เช่าที่ดินที่ Kitt Peak มานานกว่าครึ่งศตวรรษที่ผ่านมาโดยมีราคาที่สมเหตุสมผลคือหนึ่งในสี่ดอลลาร์ต่อเอเคอร์ สนธิสัญญาฉบับใหม่นี้ได้ลงนามไว้เมื่อต้นศตวรรษที่ XXI ทิ้งเงื่อนไขเหล่านี้ไว้ใช้บังคับและทำให้กล้องโทรทรรศน์ทันสมัยขึ้นได้ พนักงานของหอดูดาวสามารถวางแผนงานได้อย่างปลอดภัยมานานหลายทศวรรษโดยไม่ต้องกลัวว่าจะเกิดปัญหากับชาวอินเดีย

การขาดเมืองที่อยู่ใกล้เคียงช่วยลดปัญหามลพิษทางอากาศในท้องฟ้าความสูงจากระดับน้ำทะเล 2000 เมตรจะช่วยลดความหนาของบรรยากาศเหนือหอดูดาวและสภาพภูมิอากาศที่แห้งแล้งทำให้มี "สะอาด" 260 คืนไม่มีเมฆต่อปี (72%) วันนี้บนเนินเขา Kitt Peak เช่น "เห็ด" บนตอไม้มี "หมวก" ของกล้องโทรทรรศน์ 26 แห่งตั้งอยู่อย่างแน่นหนา ภูเขาเปิดให้นักท่องเที่ยวและทุกคนไม่จำเป็นต้องเป็นนักดาราศาสตร์สามารถข้ามดินแดนนี้ได้ สิ่งสำคัญคือไม่ต้องสร้างเสียงรบกวนเนื่องจากคำจารึกที่จารึกไว้เตือนว่า "โปรดเงียบ: นักดาราศาสตร์กำลังหลับอยู่ในระหว่างวัน"

อิทธิพลของชั้นบรรยากาศต่างๆในภาพของดาว

เสาอากาศและกระจก

กล้องโทรทรรศน์ไซโคล ออลล์นิโคลัส Meiola เป็นกล้องโทรทรรศน์แสงที่ใหญ่ที่สุดใน Kitt Peak และเป็นหนึ่งใน 20 แห่งที่ใหญ่ที่สุดในโลก กระจกเงาขนาด 4 เมตรและ 15 ตันแม้ว่าจะทำงานร่วมกับอุปกรณ์ที่ทันสมัยที่สุด แต่ยังช่วยในการสังเกตการณ์พิเศษ กล้องโทรทรรศน์ได้ทำงานมาตั้งแต่ต้นยุค 70 และในเวลาที่เหมาะสมช่วยในการศึกษาความเคลื่อนไหวของกาแลคซีที่ห่างไกลเผยให้เห็นบทบาทของสสารมืดในการขยายตัวของจักรวาล

กล้องโทรทรรศน์พลังงานแสงอาทิตย์ใกล้เคียง McMath – เพียร์ซ – coronagraph ที่ใหญ่ที่สุดในโลก กระจกของเขาถูกติดตั้งภายใต้หอ 30 เมตรใน "ดี" ทิ้งอีก 60 เมตรลึกเข้าไปในภูเขา การออกแบบ "เหมืองแร่" นี้จะช่วยลดกระจกรองและลดปัญหาในการป้องกันส่วนของฟลักซ์แสงซ่อนกล้องโทรทรรศน์จากลมแรงและอุณหภูมิลดลง ไม่ต้องมีเหตุผลมานานกว่า 60 ปีของการดำเนินงานเครื่องมือนี้ช่วยให้เราสามารถสังเกตเส้นสเปกตรัมของโบรอนฮีเลียมฟลูออรีนและน้ำบนดวงอาทิตย์

นอกจากนี้ Kitt-Peak มีกล้องโทรทรรศน์วิทยุสองตัวซึ่งหนึ่งในนั้นมีอยู่ในเครือข่าย อาร์เรย์พื้นฐานยาวมาก (VLBA) การรวมเครื่องมือดังกล่าวตั้งอยู่ในอเมริกาเหนือและอเมริกาใต้ฮาวายและเยอรมนีเครือข่ายดังกล่าวเป็นวิทยุสื่อสารแบบไร้สายเดียวที่มีฐานความยาวกว่า 8,000 กิโลเมตรและมีความละเอียดมาก กล้องโทรทรรศน์ VLBA มีส่วนเกี่ยวข้องกับการทำงานของวิทยุสื่อสารขนาดใหญ่ของ Radioastron ซึ่งเป็นดาวเทียมแห่งหนึ่งของรัสเซีย Spektr-R ซึ่งอยู่ในวงโคจรที่มีความสูง 350,000 กิโลเมตร

WIYN ไม่ใช่กล้องโทรทรรศน์ที่มองเห็นได้ง่ายที่สุดบนภูเขา แต่ที่อายุน้อยที่สุด: เขาเห็น "แสงแรก" ในปีพ. ศ. 2537 กระจกของเขามีเส้นผ่าศูนย์กลาง 3.5 ม. แต่ในแง่ของคุณภาพของภาพจะสามารถระบุได้ว่ามีขนาด 6 เมตร ออลล์. WIYN สามารถเรียกได้ว่าเป็นมุกของ Kitt-Peak และมุกของกล้องโทรทรรศน์นั้นเป็นเมทริกซ์ CCD ที่ผิดปกติซึ่งช่วยให้คุณสามารถปรับปรุงคุณภาพของภาพได้อย่างมาก

ดาวรันอะเวย์

ในเวลาเดียวกันนักดาราศาสตร์ใช้แผ่นถ่ายภาพสำหรับถ่ายดาวและท้องฟ้า การปรากฏตัวของเมทริกซ์ CCD ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ (เช่นเดียวกับภาพ) ทำให้เกิดการปฏิวัติจริง แต่ปัญหาหลัก ๆ ยังไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปโดยพื้นฐาน ความจริงก็คือวัตถุทางดาราศาสตร์มีสีทึบดังนั้นแม้จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ของกระจกของกล้องโทรทรรศน์ก็ตาม และพวกเขาเป็นมือถือซึ่งเพิ่งกลายเป็นปัญหากับการถ่ายภาพดังกล่าว

การเคลื่อนไหวของดวงดาวในท้องฟ้าในเวลากลางวันสามารถชดเชยการใช้ระบบนำทางที่หมุนกล้องโทรทรรศน์ได้สอดคล้องกับการหมุนของโลก อย่างไรก็ตามมีการบิดเบือนที่ไม่สามารถชดเชยได้ด้วยวิธีนี้ กล้องโทรทรรศน์ทางไกลภาคพื้นดินทั้งหมดมีข้อเสียเปรียบเช่นเดียวกันคือบรรยากาศที่เปลี่ยนแปลงได้ของดาวเคราะห์ของเราไม่สม่ำเสมอและไม่สามารถคาดเดาได้ว่าคลื่นแสงที่มาจากวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ห่างไกลทำให้ภาพเบลอและบิดเบือนภาพที่เกิดขึ้น

เพื่อแก้ปัญหานี้กล้องโทรทรรศน์ต้องถูกนำออกมาจากบรรยากาศหรือติดตั้งระบบปรับออพติคัล (AO) การใช้กระจกที่ไม่สะท้อนรูปร่างซึ่งเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของสัญญาณระบบควบคุม AO ช่วยให้คุณชดเชยบางส่วนสำหรับการบิดเบือนที่เกิดจากความวุ่นวายของชั้นบรรยากาศของโลก เป็นข้อเสนอแนะ AO ใช้ภาพของดาวอ้างอิง – จริงหรือเทียม "จุด" โดยลำแสงเลเซอร์ที่ขอบของบรรยากาศที่ระดับความสูงประมาณ 90 กม. เทคโนโลยีนี้ค่อนข้างแพงแม้ตามมาตรฐานของหอดูดาวซึ่งบางครั้งก็ใช้จ่ายหลายพันล้านดอลลาร์ ใช่และการชดเชยนี้มีข้อ จำกัด : โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะอยู่ห่างไกลจากอุดมคติในสาขาทั้งหมดของมุมมอง ดังนั้นความต้องการของนักดาราศาสตร์ในการจัดการกับความเสื่อมโทรมของภาพด้วยความช่วยเหลือของทางเลือกและการปรับปรุงที่ถูกกว่าสามารถเข้าใจได้

CMOS และ CCD

ในรูปแบบดั้งเดิม CCDs เกือบจะถูกแทนที่ด้วยการเมทริกซ์โดยใช้เทคโนโลยีของเทคโนโลยีโลหะ – ออกไซด์ – เซมิคอนดักเตอร์ – ซีมอส เทคโนโลยีนี้ช่วยให้การรวมทั้งเมทริกซ์ของเครื่องตรวจจับแสงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระบบดิจิตอลบนชิปตัวเดียวเพื่อประมวลผลสัญญาณที่ได้รับจากมันในการเมทริกซ์ CMOS การกำจัดสัญญาณเกิดขึ้นจากชุดพิกเซลที่ขนานและพร้อม ๆ กัน ซึ่งจะช่วยให้โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่รอการสิ้นสุดของการรับแสงและรับข้อมูลในเวลาจริง อย่างไรก็ตามสำหรับดาราศาสตร์ระดับมืออาชีพในบางกรณีก็ยังมีความสะดวกและให้ผลกำไรมากขึ้นในการใช้ CCD เก่าที่ดี – เนื่องจากระดับเสียงต่ำมากในระดับความไวสูง

ซ้ายขวาและขึ้นลง

หนึ่งในทางเลือกเหล่านี้คือ CCD ที่มีการถ่ายโอนภาพมุมฉาก (CCD การโอนภาพแบบ Orthogonal, OTCCD) ซึ่งแนวคิดนี้ได้เสนอโดย Paul Schechter และเพื่อนร่วมงานของเขาที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology – MIT) ประมาณ 20 ปีก่อน จำได้ว่าเมทริกซ์ CCD แบบดั้งเดิม (CCD) ประกอบด้วยอาร์เรย์ของเซลล์แสงที่สะสมค่าใช้จ่ายโดยการลงทะเบียนโฟตอนที่ตกลงมา เมื่อการเปิดรับแสงสมบูรณ์ (และเฉพาะเมื่อ) ค่าใช้จ่ายจะเรียงลำดับตามลำดับ เซลล์โดยแต่ละแถวจะถูกส่งไปยังเครื่องอ่านซึ่งจะแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล ถ้าแหล่งกำเนิดรังสีในกระบวนการถ่ายภาพและการสะสมของเมทริกซ์ค่า CCD จะถูกเลื่อนออกไปภาพจะถูก "smear" ในหลายเซลล์ คืนค่ารูปแบบเดิมจะเป็นไปไม่ได้เกือบ

ในทางตรงกันข้ามค่าใช้จ่ายระหว่างการสัมผัสของ OTCCD เมทริกซ์จะไม่สะสมเพียงในเซลล์ของพวกเขา แต่ยังสามารถย้ายไปที่ถัดไปซ้ายขวาและขึ้นลง นี้จะกระทำโดยคำสั่งของระบบการควบคุมซึ่งด้วยความช่วยเหลือของแต่ละเซ็นเซอร์อิสระติดตามตำแหน่งของดาวอ้างอิงบาง (เช่นเดียวกับในระบบที่มี AO) ทันทีที่ระบบแจ้งว่าสถานที่สำคัญได้เปลี่ยนไปจะกระจายการเคลื่อนที่ไปยังพิกเซลที่อยู่ใกล้เคียงและ "บังคับ" การเรียกเก็บเงินทั้งหมดจากพวกเขาเพื่อให้ได้ผลตอบแทน หลายสิบครั้งต่อวินาทีภาพ "ลอย" ค่าบริการจะข้ามไปยังพิกเซลที่อยู่ใกล้เคียงและระบบควบคุมจะจับและส่งกลับไปยังสถานที่

ด้านซ้าย – เมทริกซ์ CCD แบบคลาสสิก: พิกเซลประกอบด้วยหลายประตูเรียงเป็นเส้นตรง เมื่ออ่านค่าแรงดันไฟฟ้าควบคุมจะถูกนำไปใช้สลับไปยังประตูซึ่งจะทำให้ค่าใช้จ่ายสะสม (อิเล็กตรอน) เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (และในทิศทางเดียว) เช่นเดียวกับในลำเลียง ด้านขวา – รุ่นของ OTCCD เมทริกซ์ที่มีการถ่ายโอนมุมฉาก พิกเซลของมันประกอบด้วยสี่ส่วนของเรขาคณิตที่แตกต่างกันซึ่งช่วยให้คุณสามารถเคลื่อนย้ายประจุได้ในทิศทางสองมุม

นี้ช่วยให้คุณสามารถชดเชยอิทธิพลของความวุ่นวายในบรรยากาศการสั่นสะเทือนกล้องโทรทรรศน์ข้อผิดพลาดในการติดตามดาวและเพื่อให้บรรลุความละเอียดที่ดีเยี่ยม การฝึกอบรมดังกล่าวครั้งแรกประกอบด้วยเพียง 512 × 512 องค์ประกอบ แต่พวกเขาได้แสดงผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมแล้วความละเอียดเชิงมุมของเครื่องมือเพิ่มขึ้นอย่างมากและอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น

อาร์เรย์ Ready-to-use ของการถ่ายโอนข้อมูลแบบแท่ง 64 ตัว – OTA

รุ่นต่อไปของ OTCCD มีอยู่แล้วทั้งชุดเมทริกซ์ – OTA (อาร์เรย์การโอนข้อมูลแบบ Orthogonal) แต่ละคนมีระบบการควบคุมการถ่ายโอนค่าใช้จ่ายที่เป็นอิสระและสามารถใช้ดาวอ้างอิงของตัวเองซึ่งทำให้สามารถชดเชยความกระวนกระวายใจได้อย่างมีประสิทธิภาพทั่วบริเวณมุมมอง ในเวลาเดียวกัน OTA ไม่ได้ยกเว้นแอพพลิเคชันแบบขนานและออปติกแบบปรับตัว กล้องโทรทรรศน์ WIYN เดียวกันนี้ยังมีระบบ AO และเครื่องหลักของกล้อง ODI (Imager หนึ่งภาพ) มี 30 อาร์เรย์ OTA จาก 64 เมทริกซ์ 480 × 496 พิกเซลแต่ละตัว

อาร์เรย์ OTCCD ที่มีส่วนประกอบของกล้องโทรทรรศน์ WIYN มันอยู่ในการกำหนดค่านี้ (เก้า matrices กลางและสี่ที่ขอบ) ว่ากล้องโทรทรรศน์ทำงานสำหรับสองปีแรก. วันนี้จำนวนของพวกเขาได้ถึง 30

ความเงียบและแรงบันดาลใจ

นอกเหนือจากอาร์เรย์ของเมทริกซ์แบบ OTA บนกล้องโทรทรรศน์ WIYN แล้วยังมีกล้องสเปคตรัมและกล้องสำหรับการสังเกตการณ์ในช่วงอินฟราเรดดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ตารางเวลาของการสังเกตจะเต็มไปด้วยหลายเดือนข้างหน้า ผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ของนักดาราศาสตร์ที่ทำงานร่วมกับเขามีความกว้างมาก ๆ : การค้นพบและยืนยันดาวเคราะห์นอกระบบใหม่การศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับวิวัฒนาการของซูเปอร์โนวาการสังเกตการณ์กาแลคซีที่ห่างไกลและหางฝุ่นของดาวเคราะห์น้อย …

แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียง แต่ทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ WIYN เท่านั้น ช่างเทคนิคหลายคนกำลังยุ่งอยู่ตลอดเวลาที่นี่ผู้ตรวจสอบสภาพของเขาเติมไนโตรเจนเหลวให้เขาและผู้ดำเนินการตอนกลางคืนจะช่วยในการสังเกต: เครื่องมือนี้แพงเกินไปและยากที่จะได้รับความไว้วางใจให้กับนักดาราศาสตร์ตลอดทั้งคืน งานดังกล่าวไม่เหมาะสำหรับทุกคน – จำเป็นต้องตื่นตลอดคืนทุกๆ 20 นาทีปรับทิศทางกล้องโทรทรรศน์ไปยังจุดใหม่ ๆ และขับไล่นักเรียนที่กระตือรือร้นออกจากแผงควบคุม แต่บางคนก็พอใจ: ในระหว่างการสังเกตการณ์ดังกล่าวเราได้พบกับผู้ดำเนินการผู้เขียนหนังสือนิยายวิทยาศาสตร์ระหว่างช่วงพัก ความเงียบและทะเลทรายภูเขาทะเลทรายและพื้นที่ใกล้เคียง – พวกเขามักสร้างแรงบันดาลใจ


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: