Hubble的辐射损伤与太阳周期存在4.3年的相位差

# 哈勃空间望远镜的辐射损伤与太阳周期存在数年的相位差  
来源：https://arxiv.org/html/2608.18214  
a\] 英国杜伦大学计算宇宙学研究所，South Road，Durham DH1 3LE  
b\] 英国剑桥大学卡文迪许实验室，JJ Thomson Avenue，Cambridge CB3 0HE  
c\] 英国伦敦帝国理工学院地球科学与工程系，London SW7 2BP  
d\] 英国赫特福德大学物理系天体物理研究中心，Hatfield AL10 9AB  
e\] 英国纽卡斯尔大学物理系，Newcastle upon Tyne NE1 7RU  
f\] 英国开放大学电子成像中心，Walton Hall，Milton Keynes MK7 6AA  
g\] 瑞士洛桑联邦理工学院天体物理实验室，Observatoire de Sauverny，1290 Versoix  

Juan Paolo Lorenzo Gerardo Barrioshttps://orcid.org/0000-0002-5605-0029  
Maximilian von Wietersheim-Kramstahttps://orcid.org/0000-0003-4986-5091  
Richard Masseyhttps://orcid.org/0000-0002-6085-3780  
Richard G. Hayes  
Jacob A. Kegerreishttps://orcid.org/0000-0001-5383-236X  
David Lagattutahttps://orcid.org/0000-0002-7633-2883  
Zane D. Lentzhttps://orcid.org/0000-0003-4428-7843  
James W. Nightingalehttps://orcid.org/0000-0002-8987-7401  
Jesper Skottfeldthttps://orcid.org/0000-0003-1310-8283  
Felix Vecchihttps://orcid.org/0009-0004-7808-1979  

#### 摘要  
哈勃空间望远镜的CCD探测器不仅能拍摄宇宙的精美图像，其本身也是高灵敏度的辐射剂量计，已在近地轨道被监测超过24年。其受到的辐射损伤速率随每个太阳周期变化，但与太阳黑子或日冕物质抛射的出现存在数年的相位差。我们研究了能成功拟合太阳系其他位置望远镜损伤时间序列的函数形式。这些形式对哈勃数据实现了异常精确的拟合，但参数值在物理上却荒谬。在图像后处理中，这类拟合可经验性地用于校正辐射损伤对图像质量超过99.5%的影响。然而，使用物理合理参数对时间序列进行拟合的效果反而较差。我们的结果突显了太阳系不同区域辐射环境的多样性，特别是近地轨道的复杂性。同时，这也激励我们持续监测现役航天器的辐射损伤，以便更可靠地预测未来任务的性能衰减速率（及有效使用寿命）。  

#### 关键词  
辐射损伤——近地轨道——电荷转移效率不足——哈勃空间望远镜——太阳黑子——arCTIc——仪器技术——探测器  

††作者信息：通讯请联系 J.P.L.G.B.，邮箱：[[email protected]](mailto:[email protected])。  

## 1 引言  
在地球大气层之上，电荷耦合器件（CCD）成像探测器在恶劣的辐射环境中会逐渐受损。高能带电粒子会使硅晶片中的原子发生位移，形成晶格缺陷，干扰探测器读出时光电子的平滑传输[17]。这些缺陷会暂时捕获电子，并在特定延迟后释放[34, 14]，使电荷偏离原始位置，并在天体源后方产生伪拖影[18, 19, 1]，如图1所示。可能形成多种缺陷，对应不同的位移原子拓扑结构。每种缺陷会延迟电荷不同的时间，从而叠加出不同长度的拖影。这种伪拖影非线性地依赖于源亮度、形态和光照历史[31]，可能成为某些科学测量最严重的障碍[10, 37, 4, 38, 5, 28]。  

**图1**：左：CCD像素中产生的光电子在曝光结束时，通过先平行后串行的方式转移至角落的放大器和模数转换器进行计数。右：哈勃空间望远镜的辐射损伤产生的缺陷，使电子流动延迟的时间与平行方向的像素间转移时间相当[2, 33]。这导致所有需跨越多个陷阱移动电子的图像特征后方出现伪拖影。  

硅的辐射损伤物理机制已被充分理解。电子在受损CCD中流动的模型可以重现观测到的拖影，且这些模型可被反转以恢复真实图像[7]。经过在太空24年的持续研究，针对哈勃空间望远镜（HST）先进巡天相机/宽场通道（ACS/WFC）的模型不断改进[24, 25, 3, 23, 8]，目前可校正超过99.5%的图像拖影[22]（图2）。  

**图2**：左：哈勃空间望远镜于2025年1月获取的原始图像，注意由辐射引起的电荷转移效率不足导致的每项图像特征上方的伪拖影。右：同一图像，按Massey等人（2026）的方法校正后。  

因此，哈勃的CCD探测器也是（除其他用途外）极其精确的辐射剂量计，已在近地轨道被连续监测超过两个太阳周期（图3）。各类天文望远镜CCD性能逐渐衰减的测量结果，可能为太阳系内不同位置（如SPENVIS[16, 27]）的辐射环境模型提供信息。  

本文中，我们评估了关于哈勃CCD性能衰减奇特时间序列的新解释（第2节）。同时，我们描述了电子流动模型的近期改进，该改进稳定了其在极端条件下的性能，提升了偏置帧和暗帧以及科学曝光的校正效果（第3节）。我们在第4节总结全文。  

## 2 辐射损伤的时间演化  
我们研究了Massey等人（2026）[22]测量的ACS/WFC像素平均电荷陷阱密度时间序列 \(\rho_{\mathrm{trap}}(t)\)，这些陷阱导致了电荷转移效率不足（CTI）。以此方式测得的损伤时序和相对幅度，与同一CCD中“坏像素”增长速率测得的损伤大致相符[13]。奇怪的是，哈勃性能衰减速率与太阳周期不同步。损伤速率在每个11年周期内变化约18.5%，但最大损伤速率发生在太阳活动极大期前约4.3年。  

Massey等人（2026）使用SILSO世界数据中心[35]的每日太阳黑子数 \(n_{\mathrm{sunspot}}(t)\) 拟合了一个模型：  

\[
\rho_{\mathrm{trap}}(t) = \rho_{0} + A_{\mathrm{GCR}} \times t + A_{\mathrm{sunspot}} \int_{t_{0}}^{t} \Big( n_{\mathrm{sunspot}}(t' - t_{\mathrm{lag}}) \Big)^{\eta} \, dt',
\]  

其中 \(t\) 是自发射日 \(t_{0}\) 起的天数。参数 \(\rho_{0}\)、\(A_{\mathrm{GCR}}\)、\(A_{\mathrm{sunspot}}\)、\(\eta\) 和 \(t_{\mathrm{lag}}\) 的最佳拟合值列于表1，拟合结果如图3中的灰色曲线所示：它与最佳拟合正弦曲线几乎无法区分。最佳拟合参数 \(A_{\mathrm{sunspot}}\) 为负值，意味着太阳黑子的出现**降低**了近地轨道CCD的衰减速率，仿佛增加的粒子流或太阳风抑制了银河宇宙线[20, 21, 39]。作者们未能区分 \(t_{\mathrm{lag}} = 430^{+11}_{-5}\) 天的滞后是太阳物理学中高能粒子产生与太阳黑子之间的相位差，还是由地球磁场引起的局部延迟[15, 26]。  

**图3**：上：哈勃空间望远镜星载CCD探测器累积损伤的测量值（黑点），源自坏像素后方拖影的幅度[22]。灰色带显示3个月移动窗口内（以所示日期为中心）的平均太阳黑子数，以及该窗口内每日太阳黑子数的标准差。垂直灰色线表示高能粒子通量 > \(10^{10}\) 质子 cm\(^{-2}\) sr\(^{-1}\) s\(^{-1}\) 的日冕物质抛射（CME）事件。下：损伤偏离线性增长的部分（黑点），加上三个尝试预测它的模型。包括基于太阳黑子的模型（430天滞后，灰色）、一个基于CME但具有非物理8年滞后的更优拟合模型（蓝色），以及一个虽无物理动机但可校正99%成像拖影的务实分段线性经验模型（红色）。  

此处我们尝试拟合一个模型，其中电荷陷阱的增长速率 \(d\rho_{\mathrm{trap}}(t)/dt\) 被假设与日冕物质抛射（CME）事件相关。我们使用地球同步轨道上NOAA地球静止运行环境卫星（GOES）\(^\text{1}\) 测得的能量 > 10 MeV 粒子在CME期间的注量。具体地，我们拟合：  

\[
\frac{d\rho_{\mathrm{trap}}}{dt}(t) = A_{\mathrm{GCR}} + \delta(t - t_{\mathrm{CME},i}) \times A_{\mathrm{CME}} \times (P_{\mathrm{CME},i})^{\eta}
\]  

即  

\[
\rho_{\mathrm{trap}}(t) = \rho_{0} + A_{\mathrm{GCR}} \times t + A_{\mathrm{CME}} \sum_{i} (P_{\mathrm{CME},i})^{\eta}
\]  

其中 \(P_{\mathrm{CME}}\) 是在时间 \(t_{\mathrm{CME},i}\) 事件期间积分5分钟的平均质子通量（单位：质子 cm\(^{-2}\) sr\(^{-1}\) s\(^{-1}\)），索引 \(i\) 遍历自发射以来的所有此类事件。该模型拟合了位于拉格朗日L2点的欧几里得[36]和盖亚[36]\(^\text{2}\) 的CCD衰减，但对哈勃测得的 \(\rho_{\mathrm{trap}}(t)\) 值拟合极差（无论参数 \(\rho_{0}\)、\(A_{\mathrm{GCR}}\)、\(A_{\mathrm{CME}}\) 和 \(\eta\) 取何值）。  

定性地，通过允许CME与损伤之间存在延迟 \(t_{\mathrm{lag}}\) 并软化阶跃函数以保持 \(\rho_{\mathrm{trap}}\) 可微，可以获得异常精确的拟合：  

\[
\rho_{\mathrm{trap}}(t) = \rho_{0} + A_{\mathrm{GCR}} \times t + A_{\mathrm{CME}} \sum_{t_{\mathrm{launch}}}^{t} \frac{(P_{\mathrm{CME},i})^{\eta}}{1 + \exp((t - t_{\mathrm{CME},i} - t_{\mathrm{lag}})/\lambda)}
\]  

该函数（图3中实线蓝色曲线）甚至包含了2025年损伤速率中先前未解释的下降。然而，最佳拟合参数（表1）包含一个8年的滞后——即CME质子到达地球同步轨道与近地轨道探测器发生损伤之间的滞后——如此之长，显然在物理上不成立。  

尽管如此，当与使用后续太阳周期太阳黑子模式的拟合相比，该模型的拟合仍然更加引人注目。强制拟合在 \(t_{\mathrm{lag}} \approx 8 - 11 = -3\) 年附近取得局部最小值，无法重现 \(\rho_{\mathrm{trap}}(t)\) 的特征（且更不物理：需要尚未统计的2027年太阳黑子数来模拟2024年的损伤累积）。最佳拟合的 \(A_{\mathrm{CME}}\) 值为正。如果强制其为负值（假设CME期间来自太阳的粒子流抑制了到达近地轨道的银河宇宙线），则以 \(t_{\mathrm{lag}} = 424.7 \pm 2.1\) 天的滞后恢复了损伤的相位，几乎与太阳黑子模型相同（表1）。然而，整体拟合较差（图3中虚线蓝色曲线），未能重现损伤速率的动态范围。即使最佳拟合 \(\eta \approx 0\)（将所有CME同等对待，实际上能以更粗的时间分辨率重现太阳黑子数），该模型也无法同时匹配约2010年期间陡峭的额外损伤速率和约2014–2020年期间平缓的损伤速率下降。  

**表1**：哈勃CCD探测器损伤时间序列 \(\rho_{\mathrm{trap}}(t)\) 模型的最佳拟合参数。太阳黑子模型（式1）生成图3中的灰色曲线，参数值由Massey等人（2026）拟合。日冕物质抛射模型（式4）在 \(A_{\mathrm{CME}}\) 取正值/负值时生成图3中的实线/虚线蓝色曲线。  

本分析留给我们的问题多于答案。看似非物理的参数可以产生良好的拟合；而合理的参数和合理的函数形式却导致定性上较差的拟合。务实地说，任何拟合良好的模型都能实现对电荷转移效率不足的精确校正，