短波红外相机在天文领域的应用

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短波红外这个名词的的诞生就与天文学有着不可分割的联系，作为地面天文观测窗口中的“新人”，短波红外在当今天文科研活动中占据的地位越来重要。

在地面上进行红外天文观测，受地球大气的限制很大。大气中的水汽、二氧化碳、臭氧等分子，吸收了红外波段大部分的天体辐射，只有几个透明的大气窗口可供地面观测使用，在这些窗口中被指定的红外测光系统为J（1.2微米）、H（1.6微米）、K(2.2微米)、L（3.6微米）、M（5.0微米）、N（10.6微米）和Q（21微米）。短波红外相机通常可以涵盖J波段与‍‍H波段，可用于红外天文观测。

‍‍H波段天文观测（1.625um）

C2PU 1m望远镜，科学级SWIR相机Ninox

(Lyu Abe博士提供，所有的图像都是在1.625um处拍摄)

上图:2014年10月24日在C2PU设施（ 尼斯蔚蓝海岸天文台 ）的1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上观测到的天文H波段  (1.625um)的天王星 (Uranus)。这颗行星离太阳的距离大约是地球的20倍。

在这张照片上，它的表观直径约为2.9英寸。表面的不均匀性是由于天王星大气中的云层造成的。1000次平移和相加以及51ms曝光帧叠加。

上图：2014年10月24日，在C2PU设施的1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上观测到的天文H波段（1.625um) 的猎户座星云（Orion nebulae）中心梯形星团的核心区域。这片天空中有许多年轻的恒星是在那个富含尘埃的环境中形成的。由于尘埃的吸收能力较低，在红外波段可以更好地观测到这一开放星团的恒星成分。至暗的恒星大约是H=13星等。4000次平移和相加、15ms曝光帧叠加。‍‍

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上图:2014年10月24日在C2PU设施1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上记录到的双星系统 14 Ori ( H = 4.6 星等)的 图 像 重 建 试 验。（左图）3000次15ms 曝光帧叠加, (右图)从3000张短曝光图像中重建目标。

据Lyu Abe博士说:"Raptor公司Ninox 640是一个非常令人兴奋的相机 。我现在能够在天文H波段(1.625µm)使用需要长时‍‍‍‍间‍‍‍‍‍‍稳定性的叠加拍摄良好图像。这台照相机将使我有可能发现新的东西。"

东启明西长庚，SWIR成像探秘金星

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近些年，更多的天文学家正在研究SWIR波段。德国研究员Sebastian  Voltmer博士，一直在研究金星内部的一个紧挨着太阳的光环，以及月牙是如何变得越来越大的。他调研了大气层的轻微不规则性，如图1所示。

图1 2020年7月1日短曝光时间下月牙金星的结果

这个研究的挑战是在近红外光谱中揭示金星的地面结构。对于通过金星云层的表面观测（夜间），需要一个约1000nm的光谱窗口。

波长大于1000nm的观测非常有趣，通过红外辐射观测金星较低的云层，这些红外辐射从金星表面上方约50公里的高空逃逸出来。Ninox 640 II SWIR相机能够在一张图像中显示地表和较低的云层。

在2020年6月底和7月初，新月形的金星足够窄，它的位置离太阳足够远。这意味着天空足够黑暗，足以捕捉到西南偏南地区的夜景 。日落前的观测条件（ 大气中的湍流较少 ）比日落后好得多。2020年7 月1 日  ， Voltmer博士拍摄到了新月形金星的独特图像和这颗热行星的红外辐射。图2和图3展示了在法国Spicheren的设备外观。

图2 天文望远镜上的Ninox 640 II相机

图3与望远镜相连的Ninox 640 II跟踪架

该设备能够捕捉到金星表面1000nm以外非常微弱的辐射，如图4所示。照片是用Baader Planetarium（巴德天文馆，820-1500nm）的Sloan Z滤光片和Ninox 640 II红外相机拍摄的用一个与金星夜相一致的圆圈把它对齐。拍摄12000个视频帧，以及需要大量后期处理工作。

图4 2020年7月1日在短时间内拍摄到新月形金星和热行星的热辐射

根据Voltmer博士的说法:“在2020年5月拍摄的一些金星照片中，我只使用了具有近红外灵敏度的CCD 相机，很难得到金星表面的任何信号，但是有了制冷型的Ninox 640 II SWIR相机，我得到了更好的信号。用Ninox 640 II SWIR相机我能够在一张图像中显示出地表和较低的云层。”

拍摄设置介绍：

开始时间：2:40 UT（持续时间20分钟）

新月开始时间：03:17 UT

望远镜：Celestron 11 EdgeHD+Baader Fluorite Flatfield Converter（FFC）

相机：Ninox 640 II SWIR相机

滤光片：Baader prototype Sloan-Z

相机设置：

地表和夜间较深云层：12000帧，90000ms，每秒10帧，

传感器温度-31.7℃+12000帧的暗场

新月型：12000帧短曝光时间，30帧/s

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• 实时图像非均匀性校正，无需载入校正文件

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