Шум в трех усилителях фотокамеры не позволит телескопу Kepler начать поиски «двойников Земли» еще год-полтора. О проблемах знали еще до запуска, да понадеялись на авось.
Космический аппарат Kepler в ближайшее время не сможет найти «запасную Землю» или что-то подобное. Более того, из-за шумов всего в трех усилителях сигнала команде космического инструмента придется полностью менять алгоритм обработки данных. Начальник миссии Уильям Боруцки надеется сделать это примерно за год.
Перемены к худшему
Как сообщает сайт британского журнала Nature, в конце прошлой недели Боруцки сообщил о неприятностях на заседании совета миссии в эймсовском центре NASA в Калифорнии. По его словам, пока алгоритм обработки данных не исправлен, «найти планеты размером с Землю в обитаемой зоне не получится или это будет очень сложно».
Проблема затаилась в трех усилителях сигнала, который снимается с гигантской 95-мегаписксельной камеры, составленной из 21 пары ПЗС-матриц. Их параметры меняются нерегулярным образом, с амплитудой существенно выше, чем положено, и с большей скоростью, чем планировалось. Это означает, что перемены в данных совсем не обязательно отражают истинные перемены в блеске звезды.
Kepler ищет экзопланеты именно по небольшому понижению блеска далеких звезд в момент прохождения планеты по диску светила. Этот метод поиска внесолнечных планет называется методом транзитов, на сегодняшний день с его помощью открыто около 15% известных экзопланет (около 80% найдено методом лучевых скоростей). Изначально Kepler задумывался, как инструмент, способный открыть похожую на Землю планету у похожей на Солнце звезды. Диск Земли закрывает примерно 0,008% диска Солнца. А это значит, что для того, чтобы надежно обнаружить прохождение «экзоземли» по «экзосолнцу», блеск последнего надо измерять с точностью хотя бы в несколько раз лучшей, чем 0,008%. Цель Kepler – 0,002%, то есть 1:50 000.
Шум считывания
Чтобы достичь такой точности, нужно победить сразу несколько источников шума, среди которых и так называемый шум считывания. Блеск звезды вычисляется по числу фотонов, которые падают на нужный участок матрицы. Однако на деле электроника (на то она и электроника) считывает с матрицы не фотоны, а рожденные ими электроны. Каждый акт считывания добавляет к электронам, рожденным фотонами, несколько случайных электронов, и какие из них настоящие, а какие нет, не известно.
Эту проблему решают очень простым способом (до которого, впрочем, не могли додуматься долгие годы). Прежде чем считывать сигнал, его многократно, скажем в 100 раз, усиливают, а после считывания уменьшают в те же 100 раз. Такая процедура никак не влияет на исходные электроны, а вот влияние случайных электронов, появившихся при считывании, уменьшается стократно.
Эта технология позволяет победить шум считывания, за что ее очень любят астрономы. Однако возникает новая проблема: коэффициент усиления должен быть весьма стабильным, особенно в случае поиска малых изменений в большом сигнале. Решить эту задачу удалось лишь в последние годы, и мировым лидером здесь является британская фирма e2V, которая делала ПЗС-матрицы и для телескопа Kepler.
Ошибки расплываются
В случае с Kepler стабильность усилителей особенно важна – ведь нам требуется получить кривую блеска звезды с очень большой точностью, измеряя блеск каждые полчаса на протяжении нескольких лет. Если параметры усилителя чуть «поплывут», то же случится и с измеренным блеском.
Чтобы избежать этой проблемы, Kepler осуществляет так называемую двойную дифференциальную фотометрию. Блеск каждой площадки неба измеряется в сравнении с соседними площадками и с предыдущими снимками той же самой области. Если параметры оптики и усилителя меняются медленно, такой способ позволяет избежать проблемы.
Однако здесь же таится и корень нынешней проблемы: из-за выбранного алгоритма двойной дифференциальной фотометрии все участки панорамной матрицы оказываются зависимыми друг от друга. Если параметры какого-то из усилителей не «плывут», а «скачут», лихорадить начинает все поле зрения – даже на тех матрицах, где с усилителями все в порядке.
Страшнее страшного
Похоже, что ровно та же беда приключилась и с Kepler. Скорее всего, это не смертельно, однако потребуется значительно изменить алгоритм обработки данных. Проблему усугубляет то обстоятельство, что первичная обработка производится на борту корабля – на связь с Землей он выходит раз в месяц, отправляя ученым не исходные, а уже готовые данные по изменениям блеска. Теперь ученым придется разрабатывать, тестировать и загружать в память бортового компьютера новый алгоритм.
Как признают создатели аппарата, о проблемах в нескольких усилителях было известно еще до запуска космического аппарата. «Все об этом знали, и все беспокоились», – признался Nature специалист по научному оборудованию Kepler Даг Калдуэлл. Во время летных испытаний даже удалось поймать фазовый эффект от одной известной экзопланеты: поскольку время и место появления эффекта были известны, можно было обойтись без дифференциальной фотометрии.
Но в итоге команда решила понадеяться на авось – запустить, а там уж думать, что делать. Нарушить целостность электроники и график работы ради замены трех усилителей было страшнее.
