超净信号处理和纳秒级数据精度赋予全球最大的切伦科夫望远镜空前的灵敏度

德国格罗斯汉斯多尔夫，2021年11月24日讯——位于加纳利群岛拉帕尔马岛上的神奇MAGIC伽马射线望远镜是用来观测宇宙中发出的高能伽马射线，诸如超新星或黑洞。天文学家还通过两个望远镜研究恒星整个生命周期的直径变化。使用地面望远镜完成这个任务可谓困难重重，因为恒星的角直径非常小，只有几毫弧秒，这就犹如从纽约远望一枚放在埃菲尔铁塔顶端的硬币。即使是全球最大的望远镜也无法直接测量它们。因此，研究人员整合了多个相距数十米以外的望远镜所发出的光来记录物体的光强度，这种技术被称为强度干涉测量法。然而，由于这些信号非常微弱，所以任何杂散信号和串扰都会将其淹没。在对几种数字化仪卡的性能进行综合评估后，Spectrum仪器M4i．4450－x8数字化仪卡成为了最终的选择。

图1：两个MAGIC伽马射线望远镜位于拉帕尔马岛海拔2200多米的地方

马克斯普朗克研究所电子开发项目负责人David Fink 表示：“我们发现测试的这些PC卡不仅杂散信号和串扰水平为最低，而且每张卡片的性能表现也完全相同。当你试图比较每个望远镜所发出信号之间的差异时就会发现，性能表现竟是如此重要。该技术对通道之间的相关信号和串扰非常敏感，其中包括从光学传感器到嵌入数字化仪卡的PC中采集的任何信号。具体来说，Spectrum仪器提供的这些卡能够使我们精准的测量纳秒时间段光强度的波动，其灵敏度约为20世纪70年代纳拉布里干涉仪的10倍。”

“我们选择Spectrum仪器数字化仪卡的另一重要因素则是其产品卓越的可靠性。这些卡片是由位于西班牙加纳利群岛拉帕尔马岛高山上的两台望远镜定位的，如果出现问题再去更换一张新卡实非易事。此外，还要考虑到仪器停机和观测时间损失的成本。Spectrum仪器旗下产品的保修期长达五年，这表明他们对产品质量和可靠性的十足信心。这一点我们也从科学领域的其他用户方面得到了证实。最后，Spectrum仪器承诺五年保修期过后仍将负责对产品的维护，这如同给了我们一颗定心丸。因为如果一个长期项目的核心组件不能再用，往往意味着研发团队需要从新开发一个系统。”

由于需要处理大量的数据，该系统使用了Spectrum仪器研发的SCAPP软件（Spectrum仪器CUDA 并行处理访问）。这是一种将所有从数字化仪收集的数据发送到NVIDA PC显卡的方式，而不是电脑CPU为8或16的处理器核心。因为GPU图形处理器高达5000核，能够进行更快速的数据处理，即使在500MS／s的高分辨率下仍然可以录制和运行。

一颗遥远的恒星直径是通过从恒星发出的不同光线的数字化来测量的。然后在观测期计算和平均互相关，以确定其变量作为两个望远镜之间距离的函数。当恒星在天空中移动时，几何形状会发生变化。测量一个形状需要沿着多个轴折线图观察。

背景

成像大气切伦科夫望远镜（IACTs）反射很强，对光子产生的几个光电子信号的响应在一纳秒量级。这意味着它们非常合适光学干涉量度观测。得益于对可见波长的灵敏度和IACT的长基线光强度干涉测量，角分辨率可以实现从几十到微角秒。该项目在两个直径17米的IACT的摄像机上安装了一个简单的光学装置，并观测了用两个望远镜测量的三颗不同恒星的光子强度的相干波动。

图2：MAGIC（神奇伽马射线望远镜）是全球最大的大气切伦科夫望远镜，每个直径17米

该研究所关于这个项目的论文名为《MAGIC》

由于拉帕尔马火山位于拉帕尔马南部，因此，位于该岛北部的望远镜目前没有受到火山爆发的威胁。

Spectrum M4i．4450－x8的双通道数字化仪，速度为500 MS／s

本文图片来源：图1摄影Robert Wagner，图2摄影Giovanni Geribella

关于Spectrum

Spectrum Instrumentation公司成立于1989年，使用模块化设计来创建广泛的数字化设备和发电机产品，如pc卡（PCIe和PXIe）和独立以太网单元（LXI）。在超过30年的时间里，Spectrum的客户遍布世界各地，包括许多a品牌行业领导者和几乎所有的著名大学。该公司总部位于德国汉堡附近，其杰出的支持直接来自设计工程师。