[论文解读] (Very) Fast astronomical photometry for meter-class telescopes

L. Zampieri, G. Naletto+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 27被引用 5

一句话总结

本文介绍了 Aqueye+ 和 IFI+Iqueye 两种高时间分辨率的光度计，适用于米级望远镜，可实现光学强度干涉测量和快速光度测量的亚纳秒光子定时。这些仪器以约 100 ps 的精度检测光子到达时间，首次实现了千米基线的光学强度干涉测量，并在 X 射线双星 MAXI J1820+070 中检测到 268 ± 12 mHz 的准周期振荡（QPO）。

ABSTRACT

Our team at the INAF-Astronomical Observatory of Padova and the University of Padova is engaged in the design, construction and operations of instruments with very high time accuracy in the optical band for applications to High Time Resolution Astrophysics and Quantum Astronomy. Two instruments were built to perform photon counting with sub-nanosecond temporal accuracy, Aqueye+ and Iqueye. Aqueye+ is regularly mounted at the 1.8m Copernicus telescope in Asiago, while Iqueye was mounted at several 4m class telescopes around the world and is now attached through the Iqueye Fiber Interface at the 1.2m Galileo telescope in Asiago. They are used to perform coordinated high time resolution optical observations and, for the first time ever, experiments of optical intensity interferometry on a baseline of a few kilometers. I will report on recent technological developments and scientific results obtained within the framework of this project.

研究动机与目标

• 在米级望远镜上实现亚纳秒时间分辨率的极快光学光度测量，以支持高时间分辨率天体物理学研究。
• 开发并部署能够以约 100 ps 的相对精度和 <500 ps 的绝对精度对光子到达时间进行标记的仪器。
• 利用光纤馈电的 Iqueye 在 1.2 米伽利略望远镜上进行协调的高时间分辨率观测，并首次实现千米基线的光学强度干涉测量。
• 长期监测蟹状脉冲星，以检验射电-光学延迟的稳定性，并在 X 射线暂现源 MAXI J1820+070 中检测 QPO。
• 通过多波段相关性和建模，探索黑洞 X 射线双星中低频 X 射线 QPO 的起源。

提出的方法

• 使用单光子雪崩二极管（SPADs），其量子效率约为 50%，时间分辨率在 30–50 ps 之间，以检测单个光子。
• 采用瞳孔分割光学设计，将望远镜瞳面划分为四个区域，每个区域聚焦于独立的 SPAD，以提高有效面积和计数率。
• 利用与 UTC 同步的高稳定性定时系统，以约 100 ps 的相对精度和 <500 ps 的绝对精度对每个检测到的光子进行时间标记。
• 将光子事件列表存储在大容量存储器中，支持可变时间窗口（纳秒至分钟），以实现灵活的光谱和定时分析。
• 使用 Iqueye 光纤接口（IFI）通过光纤馈电系统将 Iqueye 与 1.2 米伽利略望远镜连接，采用 1:2 缩放和光束分割以实现成像。
• 对两台远距离望远镜的光子数据进行互相关，以实现基线受限的光学强度干涉测量实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在米级望远镜上实现亚纳秒级光学光度测量，以支持高时间分辨率天体物理学研究？
• RQ2 能否利用光纤馈电仪器在数公里基线上成功实现光学强度干涉测量？
• RQ3 黑洞 X 射线双星（如 MAXI J1820+070）的光学和红外辐射是否表现出与 X 射线 QPO 相关的准周期振荡（QPO）？
• RQ4 低频 X 射线 QPO 的起源是什么？光学 QPO 是否有助于区分涉及盘面进动或喷流调制的模型？
• RQ5 蟹状脉冲星的射电-光学延迟是否在长时间内保持稳定，表明辐射区域几何结构无显著变化？

主要发现

• Aqueye+ 和 IFI+Iqueye 仪器实现了亚纳秒级光子时间标记，相对精度约 100 ps，绝对精度 <500 ps，实现了高精度定时。
• 通过光纤耦合，在 1.2 米伽利略望远镜上利用 Iqueye 首次成功实现了数公里基线的光学强度干涉测量。
• 在 X 射线暂现源 MAXI J1820+070 中，检测到一个中心频率为 268 ± 12 mHz 的宽 QPO 类似特征，半高全宽为 150 ± 39 mHz，分数均方根变异性为 1.9 ± 0.2%。
• 在 151 ± 6 mHz 处检测到第二个显著性较低的 QPO，宽度为 33 ± 16 mHz，分数均方根为 1.2 ± 0.3%。
• 通过 1:2、2:3 或 3:5 频率比的谐波相关 QPO 模型，对功率谱获得了可接受的拟合，表明可能存在物理耦合。
• 在长达 10 年的监测中，未检测到蟹状脉冲星射电-光学延迟的显著变化，表明辐射区域的相对几何结构保持稳定。