對2015年9月28日月全食期間月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件的分析研究 *

劉 奇，王 競，黃茂海，魏建彥

(1. 中國科學院國家天文臺空間天文與技術重點實驗室，北京 100101；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 廣西大學物理科學與技術學院廣西相對論天體物理重點實驗室，廣西 南寧 530004)

月基光學望遠鏡是安裝于嫦娥三號著陸器的有效科學載荷，主要科學目標是利用月球的自轉和真空環(huán)境，在近紫外波段對各種天文變源的亮度變化進行長時間的連續(xù)監(jiān)測[1]。自2013年12月16日開機觀測以來，月基光學望遠鏡順利完成了3年的天文觀測任務，并額外進行了兩年的拓展實驗，積累了海量原始圖像數(shù)據(jù)。月基光學望遠鏡圖像中除觀測目標源外，還存在很多亮度高、輪廓多數(shù)情況下比恒星星像大的宇宙線事件。月基光學望遠鏡是在月面觀測，其探測器可以直接遭受銀河宇宙線、太陽宇宙線以及太陽風等帶電粒子的轟擊[2]。這些帶電粒子打在CCD靶面上，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子-空穴對同光子產(chǎn)生的電子-空穴對一樣由CCD收集讀出，在圖像中表現(xiàn)為線狀或點狀結構，甚至有些形態(tài)與恒星目標源類似，對后續(xù)圖像處理產(chǎn)生干擾。

嫦娥三號著陸器工作時的電能來自太陽光照射提供的能量，因此月基光學望遠鏡只能在月晝期間觀測。2015年9月28日發(fā)生了一次月全食，這是月基光學望遠鏡在任務期間經(jīng)歷的唯一一次完整的月全食過程。在月全食過程中，由于地球對太陽光的幾何遮擋，月基光學望遠鏡不會直接暴露在太陽光下。本文通過分析月食期間及月食前后一段時間內CCD圖像中宇宙線事件計數(shù)，研究地球對太陽風粒子和太陽宇宙線的幾何遮擋是否會引起月面輻射環(huán)境的變化。

近年來，隨著嫦娥探月工程的開展，我國科研人員對月面空間環(huán)境的研究做出了顯著貢獻。文[3-5]對月面和近月空間環(huán)境做了綜述性總結，近月空間輻射環(huán)境分為太陽電磁輻射和帶電粒子輻射；月球表面遭遇的帶電粒子輻射主要來源于太陽宇宙線、銀河宇宙線以及太陽風；在沒有太陽光照射的情況下，太陽風粒子依然存在，可以對月塵產(chǎn)生充電效應。文[6]分析了月球探測器著陸月面后遭受的輻射環(huán)境，在月晝期間，探測器面臨的輻射環(huán)境與在環(huán)月軌道基本相似，主要包括太陽風和銀河宇宙線，如遇太陽耀斑爆發(fā)則有太陽宇宙線；月夜期間，由于月球的幾何遮擋，月球探測器只遭遇銀河宇宙線。文[7]利用太陽高能粒子探測器(High-energetic Particles Detectors, HPD)的高能電子數(shù)據(jù)和太陽風離子探測器(Solar Wind Ion Detectors, SWIDs)等離子體數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，太陽活動低年空間環(huán)境擾動水平相對較低，月球處于太陽風中時，近月空間帶電粒子環(huán)境的基本特征與行星際空間相比變化不大。文[8]利用嫦娥一號太陽風離子探測器數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了月球晨昏線附近太陽風離子經(jīng)月面散射，被對流電場加速的現(xiàn)象。文[9]利用嫦娥一號太陽高能粒子探測器數(shù)據(jù)對月球軌道的磁層屏蔽效應進行了分析研究，當月球位于地球磁層內，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的地球磁層屏蔽效應。

本文利用月基光學望遠鏡月食期間的觀測數(shù)據(jù)，研究月食期間月面輻射環(huán)境是否存在變化；結合月食前后幾個月的暗場數(shù)據(jù)，進一步對比研究地球對太陽光的幾何遮擋是否對月面輻射環(huán)境產(chǎn)生影響。首先，對于月食期間的觀測數(shù)據(jù)，我們采用天文位置定標的方法識別提取宇宙線；對于暗場圖像，我們采用直接識別提取的方法。最后在考慮圖像拍攝期間太陽活動情況的前提下，對宇宙線事件的概率進行對比分析，討論了地球幾何遮擋對月面輻射環(huán)境的影響。

1 月基光學望遠鏡系統(tǒng)簡介

月基光學望遠鏡的光路設計圖和橫截面圖如圖1。望遠鏡采用R-C系統(tǒng)設計，焦比為F/3.75，主鏡直徑150 mm。為了縮短整個儀器的長度，用一個平面鏡將光線反射到耐氏焦點。CCD安裝在耐氏焦點上，采用E2V公司生產(chǎn)的CCD47-20，含有1 024 × 1 024像元，像元尺寸為13 μm × 13 μm，CCD制冷可以達到-40 ℃。月基光學望遠鏡的主要特征參數(shù)見表1[10]。

圖1 月基光學望遠鏡。(a)光路設計圖；(b)橫截面圖Fig.1 Lunar-based ultraviolet telescope. (a) Light path design drawing; (b) the cross sectional view

2 數(shù)據(jù)選取與處理流程

2015年9月28日，月基光學望遠鏡在巡天觀測過程中經(jīng)歷了一次完整的月全食過程。月基光學望遠鏡在月食期間的4 h內共拍攝了374幀圖像，我們分析了整個過程中天空背景亮度的變化，結果如圖2。圖2中，橫坐標是UT時間，縱坐標是每個像元的背景亮度計數(shù)。由圖2可知，月基光學望遠鏡觀測圖像在整個月食過程中，圖像的天空背景亮度經(jīng)歷了一次由亮變暗再變亮的過程。自2015年9月28日01:27:49.23 UT到03:55:03.95 UT共計2 h 27 min，天空背景亮度最低，嫦娥三號著陸器著陸點完全進入月食陰影區(qū)，因此我們選擇這段時間內拍攝的230幀圖像作為月食期間的觀測數(shù)據(jù)，分析研究月食期間宇宙線事件的變化情況。

表1 月基光學望遠鏡的主要特征參數(shù)Table 1 The main characteristics of LUT

圖2 月全食過程中天空背景亮度的變化Fig.2 Changes of sky background brightness during total lunar eclipse

作為對照樣本，我們選取2015年8月和10～12月月基光學望遠鏡拍攝的暗場圖像，用來對比研究月食期間地球遮擋對月球表面宇宙線環(huán)境的影響。選擇暗場圖像的原因是月基光學望遠鏡在拍攝暗場時艙門關閉，處于黑暗環(huán)境，不受月晝陽光及恒星的影響，最接近月全食時暗背景環(huán)境；同時，艙門很輕薄，對宇宙線的穿透沒有明顯影響。最終選取數(shù)據(jù)的信息如表2。

表2 數(shù)據(jù)信息Table 2 Data information

2.1 月食期間觀測圖像的處理

在月基光學望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)中存在很多形態(tài)輪廓與恒星星像類似的宇宙線事件。傳統(tǒng)的宇宙線識別算法(例如中值濾波法、拉普拉斯邊緣檢測法、基于直方圖的快速算法以及萬能噪聲消除算法等)[11]對于此類宇宙線事件的識別效率不高，并存在一定的錯誤識別。本文采用一種基于天文位置定標的檢測方法提取圖像中的宇宙線事件，相比其他方法，可以更有效地從單次曝光的圖像中識別宇宙線事件。數(shù)據(jù)處理詳細流程見文[12]。

基于天文位置定標的宇宙線檢測算法流程概述如下：

(1)圖像預處理。月基光學望遠鏡月食期間圖像的預處理主要包含對偏置場(Bias)、平場(Flat)和暗場(Dark)的校準。偏置場用來校準零時間測量下的直流零點，平場用來校準CCD器件的非均勻量子效應，暗場用來校準無光照情況下的暗電流噪聲。

(2)背景扣除。月食期間月基光學望遠鏡處于巡天觀測模式，在采集的相鄰圖像中，恒星的星像位置有幾個像元的差別。為了獲得背景擬合圖像，我們首先將序列觀測圖像進行分組；然后對每一幀圖像使用除自身外其他的同組圖像進行中值合并，得到對應的背景擬合圖像；最后每一幀圖像減去其對應的背景擬合圖像，同時剔除圖像中的熱點和壞點，扣除背景圖像，保留恒星星像和宇宙線[13]。

(3)天文位置定標。對每幀扣除了背景的圖像提取5～10顆亮星，獲得其位置和亮度信息，再與第谷星表(Tycho_2.0)進行位置和亮度雙層匹配，利用第谷星表的高精度J2000天文坐標實現(xiàn)天文位置定標，定標精度約1″。

(4)提取宇宙線候選體。利用SEXtractor軟件對月基光學望遠鏡圖像提取宇宙線候選體，判據(jù)包括兩條：①單像元計數(shù)大于5倍背景噪聲；②連通像元數(shù)大于等于4。根據(jù)天文位置定標參數(shù)，計算獲得每個候選體對應的J2000天文坐標。

(5)認證識別宇宙線樣本。宇宙線候選體中包含一些恒星星像，需要剔除。將宇宙線候選體與第谷星表和USNO_B1.0星表進行位置交叉認證，剔除樣本中的恒星星像，獲得宇宙線樣本。

圖3給出了月基光學望遠鏡月食期間觀測圖像的效果圖。其中(a)為原始圖像，(b)為預處理及扣除背景后的效果圖。和(a)相比，(b)中的背景及噪聲已經(jīng)扣除。(c)展示了對(b)的宇宙線識別結果，其中，宇宙線事件用藍色圓圈標記，恒星星像用紅色圓圈標記。

圖3 (a)月基光學望遠鏡月食中巡天原始圖像；(b)預處理后圖像；(c)標識的宇宙線及星像圖像

2.2 月基光學望遠鏡暗場圖像的處理

暗場圖像是CCD在完全黑暗環(huán)境中曝光一定時間后得到的圖像。理論上暗場圖像包含兩部分：(1)本底場的偏置電壓讀數(shù)；(2)CCD在曝光時間內，像元間暗電流產(chǎn)生的熱噪聲。從月基光學望遠鏡的暗場圖像發(fā)現(xiàn)，有一部分像元的亮度明顯超出平均值。這些超亮的像元，如果每幀都有，通常認為是熱點或者壞點；如果是偶然發(fā)生，通常認為是宇宙線事件。我們將暗場圖像中的宇宙線事件作為目標進行識別提取，具體處理方法概述如下：

(1)圖像預處理。如同對月基光學望遠鏡月食期間數(shù)據(jù)處理一樣，本文對暗場圖像進行減本底的預處理操作。

(2)扣除暗電流噪聲。預處理后的暗場圖像通過多幀圖像中值合并，可將偶發(fā)宇宙線事件剔除，得到這組暗場圖像的平均暗電流圖像；然后每一幀暗場圖像減去對應的平均暗電流圖像，扣除暗電流噪聲的圖像，保留宇宙線事件，同時也剔除了圖像中的熱點和壞點。

(3)提取宇宙線樣本。為了保證宇宙線樣本的一致性，在宇宙線識別提取時，采用相同的判據(jù)。為了確定宇宙線事件的亮度閾值，首先計算得到每個月的暗場圖像背景噪聲，以及月食期間圖像的背景噪聲，結果見表3。4個月的暗場圖像背景噪聲在5.81～5.92 ADU之間，小于月食期間的背景噪聲6.87 ADU，亮度閾值統(tǒng)一取5 × 6.87 ADU。因此，宇宙線識別提取的判據(jù)包含兩個條件：①亮度閾值大于34.35 ADU；②連通像元數(shù)大于等于4。

表3 圖像背景起伏及提取參數(shù)Table 3 RMS and DETECT_THRESH of LUT

圖4給出了月基光學望遠鏡暗場圖像處理流程的效果圖。其中，(a)為原始暗場圖像，(b)為預處理及扣除暗電流噪聲后的效果圖。和(a)相比，(b)中的系統(tǒng)噪聲已經(jīng)扣除。(c)展示了對(b)的宇宙線識別結果，其中宇宙線事件用藍色圓圈標記。

圖4 (a)月基光學望遠鏡暗場原始圖像；(b)預處理后的圖像；(c)標識宇宙線后的圖像Fig.4 (a) Original dark of LUT; (b) preprocessed image; (c) image identified cosmic rays

3 統(tǒng)計分析與結果

3.1 月食期間宇宙線事件的統(tǒng)計分析

本文應用天文位置定標的方法對月基光學望遠鏡在月食期間實拍的230幀圖像進行了宇宙線事件的識別和提取，結果如圖5。其中，橫坐標是每幀圖像開始曝光的UT時間，縱坐標是每幀圖像中宇宙線事件的數(shù)目。本文算法識別提取宇宙線事件共計29 731例，統(tǒng)計平均值為129.27(±15.78)次/幀。

為了研究月食期間月面輻射環(huán)境是否發(fā)生變化，我們按照時序分組統(tǒng)計分析了月食期間宇宙線事件的平均計數(shù)。將230幀圖像分為7組，前6組每組含33幀，第7組含32幀圖像，分組統(tǒng)計結果見表4和圖6。圖6中，橫坐標是每組圖像曝光的起止UT時間，縱坐標是每組圖像中宇宙線事件的平均數(shù)和1σ誤差。很明顯，在1σ誤差范圍內，月食期間宇宙線事件沒有發(fā)生變化，說明月面輻射環(huán)境沒有明顯改變。

3.2 月食前中后期宇宙線事件對比分析

為了研究地球對太陽的幾何遮擋是否對月面輻射環(huán)境產(chǎn)生影響，我們對比分析了月食期間和月食前后的宇宙線事件變化。

本文進一步對2015年8月和10～12月月食前后月基光學望遠鏡拍攝的暗場圖像中的宇宙線事件進行了統(tǒng)計分析，結果如圖7。圖7中，橫坐標是每組暗場圖像的圖像時序編號，縱坐標是每幀暗場圖像中宇宙線事件的計數(shù)。

圖5 月食期間每幀月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.5 The number of cosmic rays of LUT during eclipse

表4 月食期間月基光學望遠鏡圖像分組及宇宙線事件的平均次數(shù)Table 4 LUT image grouping and the mean number of CR in each group during eclipse

圖6 月食期間每組月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件平均計數(shù)統(tǒng)計圖Fig.6 Mean number of cosmic rays in each group during eclipse

圖7 暗場圖像中宇宙線事件數(shù)量Fig.7 The number of cosmic rays of dark

8月和10～12月月基光學望遠鏡暗場圖像中宇宙線事件每幀圖像平均計數(shù)分別為399.72(±21.25)次、390.00(±36.32)次、395.36(±29.81)次和413.00(±29.72)次。

已知月食期間圖像的曝光時間為30 s，暗場圖像的曝光時間為100 s。為了方便對比分析，我們將時間統(tǒng)一規(guī)劃到30 s，得到宇宙線事件在30 s內的次數(shù)如表5。

表5 暗場圖像中單位時間(30 s)內宇宙線事件平均計數(shù)Table 5 The number of cosmic rays per 30 s of dark

從表5可知，在1σ誤差范圍內，月食前、中、后期宇宙線事件沒有發(fā)生變化，說明地球對太陽的幾何遮擋對月面輻射環(huán)境沒有明顯影響。

3.3 討 論

月球表面上可遭遇的帶電粒子輻射主要來源于銀河宇宙線、太陽宇宙線以及太陽風[3-5]。結合本文對月基光學望遠鏡月食期間觀測圖像及月食前后暗場圖像中的宇宙線事件數(shù)量進行的對比分析發(fā)現(xiàn)，月食并沒有影響月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件的概率。本文分別對銀河宇宙線、太陽宇宙線及太陽風粒子在月食前后對月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件的影響進行討論。

行星際銀河宇宙線的空間分布基本上是各向同性的，主要由通量很低、能量在108～1019eV的帶電粒子組成。研究表明，地球磁層不能對月球軌道附近宇宙線粒子產(chǎn)生顯著的磁屏蔽效應[14]。因此，我們認為月面環(huán)境下，月食期間地球對太陽的幾何遮擋不會造成月面銀河宇宙線事件的明顯變化。

太陽宇宙線是在太陽耀發(fā)時噴射的能量為105～1010eV的高能粒子，只有當遇到太陽耀斑爆發(fā)時月面才可能遭受太陽宇宙線轟擊[7]。我們對2015年8～12月期間太陽活動情況進行了查詢，依據(jù)太陽和太陽圈探測器(Solar and Heliospheric Observatory, SOHO)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和比利時皇家天文臺(Royal Observatory of Belgium)數(shù)據(jù)，期間太陽黑子及太陽耀斑情況如圖8。圖8中，橫坐標是統(tǒng)計數(shù)據(jù)的日期，縱坐標是黑子及耀斑數(shù)量。從圖8可知，太陽黑子數(shù)及耀斑數(shù)沒有明顯變化，太陽黑子數(shù)在長周期中屬于中等水平，在此期間月基光學望遠鏡圖像中的太陽宇宙線事件比較平穩(wěn)。

圖8 觀測期間耀斑和太陽黑子數(shù)量，及月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件數(shù)量Fig.8 The number of cosmic rays of LUT, and the number of solar flares and sunspots during the observation period

太陽風是由電子和離子(主要是質子)組成的等離子體，無論是否有太陽光照射，月面都有太陽風粒子存在[3-5]。平靜期太陽風的平均速度約為400 km·s-1[14]，太陽風粒子到達月面的典型時標是3～4天。月食期間月基光學望遠鏡采集圖像2 h 27 min，遠小于太陽風粒子到達月面所需的時標，因此，很難檢測到地球對太陽的幾何遮擋對太陽風粒子的影響。

4 總 結

月基光學望遠鏡因在月面觀測，圖像中存在很多亮度高、面積大、形態(tài)與星像類似的宇宙線事件，統(tǒng)計分析這些宇宙線事件的概率可以為研究月面輻射環(huán)境提供一定的數(shù)據(jù)支持。月基光學望遠鏡在2015年9月28日巡天任務期間經(jīng)歷了唯一一次完整的月全食過程，本文針對月基光學望遠鏡圖像中宇宙線形態(tài)特征，運用天文位置定標的方法，能夠精確區(qū)分特定亮度的宇宙線事件和圖像中的恒星星像。

本文對月基光學望遠鏡在2015年9月月食期間拍攝的230幀巡天觀測圖像進行分析，識別提取到4連通高于5倍背景起伏的宇宙線事件29 931例；統(tǒng)計得出月食期間月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件平均概率為129.27(±15.78)次/幀；月食期間，在月基光學望遠鏡圖像中宇宙線事件的概率不變，月面輻射環(huán)境沒有變化。

作為對比，本文對2015年8月、10～12月4個月中月基光學望遠鏡拍攝的暗場圖像中特定亮度宇宙線事件進行了識別提取。在30 s曝光時間內，暗場圖像中宇宙線事件平均計數(shù)分別為119.92(±6.37)次、117.00(±10.90)次、118.61(±8.94)次和123.90(±8.92)次。誤差范圍內與月食期間的宇宙線事件計數(shù)一致，說明地球對太陽的幾何遮擋對月面輻射環(huán)境沒有明顯影響。

最后，本文分別從銀河宇宙線、太陽宇宙線以及太陽風粒子角度對結果進行了分析討論。銀河宇宙線在行星際的空間分布基本上是各向同性的，并且地球磁層的磁屏蔽效應不會影響月面輻射環(huán)境，月食不會造成月面銀河宇宙線事件的明顯變化。太陽宇宙線只有在太陽耀斑爆發(fā)時才會轟擊月面，月食期間太陽耀斑活動穩(wěn)定，月基光學望遠鏡圖像遭受的太陽宇宙線事件比較平穩(wěn)。對于太陽風粒子，因其到達月面所需的時標遠大于月食期間采集圖像的時間，我們通過分析月基光學望遠鏡圖像宇宙線事件數(shù)據(jù)無法檢測到地球對太陽的幾何遮擋對太陽風粒子的影響。

由于月基光學望遠鏡在任務期間沒有遭遇劇烈太陽爆發(fā)事件，很遺憾我們失去了通過分析月基光學望遠鏡數(shù)據(jù)來研究太陽爆發(fā)期間地球對太陽的幾何遮擋是否會引起月面輻射環(huán)境變化的機會。