对2015年9月28日月全食期间月基光学望远镜图像中宇宙线事件的分析研究 *

刘 奇，王 竞，黄茂海，魏建彦

(1. 中国科学院国家天文台空间天文与技术重点实验室，北京 100101；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 广西大学物理科学与技术学院广西相对论天体物理重点实验室，广西 南宁 530004)

月基光学望远镜是安装于嫦娥三号着陆器的有效科学载荷，主要科学目标是利用月球的自转和真空环境，在近紫外波段对各种天文变源的亮度变化进行长时间的连续监测[1]。自2013年12月16日开机观测以来，月基光学望远镜顺利完成了3年的天文观测任务，并额外进行了两年的拓展实验，积累了海量原始图像数据。月基光学望远镜图像中除观测目标源外，还存在很多亮度高、轮廓多数情况下比恒星星像大的宇宙线事件。月基光学望远镜是在月面观测，其探测器可以直接遭受银河宇宙线、太阳宇宙线以及太阳风等带电粒子的轰击[2]。这些带电粒子打在CCD靶面上，激发产生电子-空穴对，这些电子-空穴对同光子产生的电子-空穴对一样由CCD收集读出，在图像中表现为线状或点状结构，甚至有些形态与恒星目标源类似，对后续图像处理产生干扰。

嫦娥三号着陆器工作时的电能来自太阳光照射提供的能量，因此月基光学望远镜只能在月昼期间观测。2015年9月28日发生了一次月全食，这是月基光学望远镜在任务期间经历的唯一一次完整的月全食过程。在月全食过程中，由于地球对太阳光的几何遮挡，月基光学望远镜不会直接暴露在太阳光下。本文通过分析月食期间及月食前后一段时间内CCD图像中宇宙线事件计数，研究地球对太阳风粒子和太阳宇宙线的几何遮挡是否会引起月面辐射环境的变化。

近年来，随着嫦娥探月工程的开展，我国科研人员对月面空间环境的研究做出了显著贡献。文[3-5]对月面和近月空间环境做了综述性总结，近月空间辐射环境分为太阳电磁辐射和带电粒子辐射；月球表面遭遇的带电粒子辐射主要来源于太阳宇宙线、银河宇宙线以及太阳风；在没有太阳光照射的情况下，太阳风粒子依然存在，可以对月尘产生充电效应。文[6]分析了月球探测器着陆月面后遭受的辐射环境，在月昼期间，探测器面临的辐射环境与在环月轨道基本相似，主要包括太阳风和银河宇宙线，如遇太阳耀斑爆发则有太阳宇宙线；月夜期间，由于月球的几何遮挡，月球探测器只遭遇银河宇宙线。文[7]利用太阳高能粒子探测器(High-energetic Particles Detectors, HPD)的高能电子数据和太阳风离子探测器(Solar Wind Ion Detectors, SWIDs)等离子体数据分析发现，太阳活动低年空间环境扰动水平相对较低，月球处于太阳风中时，近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。文[8]利用嫦娥一号太阳风离子探测器数据发现了月球晨昏线附近太阳风离子经月面散射，被对流电场加速的现象。文[9]利用嫦娥一号太阳高能粒子探测器数据对月球轨道的磁层屏蔽效应进行了分析研究，当月球位于地球磁层内，没有发现明显的地球磁层屏蔽效应。

本文利用月基光学望远镜月食期间的观测数据，研究月食期间月面辐射环境是否存在变化；结合月食前后几个月的暗场数据，进一步对比研究地球对太阳光的几何遮挡是否对月面辐射环境产生影响。首先，对于月食期间的观测数据，我们采用天文位置定标的方法识别提取宇宙线；对于暗场图像，我们采用直接识别提取的方法。最后在考虑图像拍摄期间太阳活动情况的前提下，对宇宙线事件的概率进行对比分析，讨论了地球几何遮挡对月面辐射环境的影响。

1 月基光学望远镜系统简介

月基光学望远镜的光路设计图和横截面图如图1。望远镜采用R-C系统设计，焦比为F/3.75，主镜直径150 mm。为了缩短整个仪器的长度，用一个平面镜将光线反射到耐氏焦点。CCD安装在耐氏焦点上，采用E2V公司生产的CCD47-20，含有1 024 × 1 024像元，像元尺寸为13 μm × 13 μm，CCD制冷可以达到-40 ℃。月基光学望远镜的主要特征参数见表1[10]。

图1 月基光学望远镜。(a)光路设计图；(b)横截面图Fig.1 Lunar-based ultraviolet telescope. (a) Light path design drawing; (b) the cross sectional view

2 数据选取与处理流程

2015年9月28日，月基光学望远镜在巡天观测过程中经历了一次完整的月全食过程。月基光学望远镜在月食期间的4 h内共拍摄了374帧图像，我们分析了整个过程中天空背景亮度的变化，结果如图2。图2中，横坐标是UT时间，纵坐标是每个像元的背景亮度计数。由图2可知，月基光学望远镜观测图像在整个月食过程中，图像的天空背景亮度经历了一次由亮变暗再变亮的过程。自2015年9月28日01:27:49.23 UT到03:55:03.95 UT共计2 h 27 min，天空背景亮度最低，嫦娥三号着陆器着陆点完全进入月食阴影区，因此我们选择这段时间内拍摄的230帧图像作为月食期间的观测数据，分析研究月食期间宇宙线事件的变化情况。

表1 月基光学望远镜的主要特征参数Table 1 The main characteristics of LUT

图2 月全食过程中天空背景亮度的变化Fig.2 Changes of sky background brightness during total lunar eclipse

作为对照样本，我们选取2015年8月和10～12月月基光学望远镜拍摄的暗场图像，用来对比研究月食期间地球遮挡对月球表面宇宙线环境的影响。选择暗场图像的原因是月基光学望远镜在拍摄暗场时舱门关闭，处于黑暗环境，不受月昼阳光及恒星的影响，最接近月全食时暗背景环境；同时，舱门很轻薄，对宇宙线的穿透没有明显影响。最终选取数据的信息如表2。

表2 数据信息Table 2 Data information

2.1 月食期间观测图像的处理

在月基光学望远镜的观测数据中存在很多形态轮廓与恒星星像类似的宇宙线事件。传统的宇宙线识别算法(例如中值滤波法、拉普拉斯边缘检测法、基于直方图的快速算法以及万能噪声消除算法等)[11]对于此类宇宙线事件的识别效率不高，并存在一定的错误识别。本文采用一种基于天文位置定标的检测方法提取图像中的宇宙线事件，相比其他方法，可以更有效地从单次曝光的图像中识别宇宙线事件。数据处理详细流程见文[12]。

基于天文位置定标的宇宙线检测算法流程概述如下：

(1)图像预处理。月基光学望远镜月食期间图像的预处理主要包含对偏置场(Bias)、平场(Flat)和暗场(Dark)的校准。偏置场用来校准零时间测量下的直流零点，平场用来校准CCD器件的非均匀量子效应，暗场用来校准无光照情况下的暗电流噪声。

(2)背景扣除。月食期间月基光学望远镜处于巡天观测模式，在采集的相邻图像中，恒星的星像位置有几个像元的差别。为了获得背景拟合图像，我们首先将序列观测图像进行分组；然后对每一帧图像使用除自身外其他的同组图像进行中值合并，得到对应的背景拟合图像；最后每一帧图像减去其对应的背景拟合图像，同时剔除图像中的热点和坏点，扣除背景图像，保留恒星星像和宇宙线[13]。

(3)天文位置定标。对每帧扣除了背景的图像提取5～10颗亮星，获得其位置和亮度信息，再与第谷星表(Tycho_2.0)进行位置和亮度双层匹配，利用第谷星表的高精度J2000天文坐标实现天文位置定标，定标精度约1″。

(4)提取宇宙线候选体。利用SEXtractor软件对月基光学望远镜图像提取宇宙线候选体，判据包括两条：①单像元计数大于5倍背景噪声；②连通像元数大于等于4。根据天文位置定标参数，计算获得每个候选体对应的J2000天文坐标。

(5)认证识别宇宙线样本。宇宙线候选体中包含一些恒星星像，需要剔除。将宇宙线候选体与第谷星表和USNO_B1.0星表进行位置交叉认证，剔除样本中的恒星星像，获得宇宙线样本。

图3给出了月基光学望远镜月食期间观测图像的效果图。其中(a)为原始图像，(b)为预处理及扣除背景后的效果图。和(a)相比，(b)中的背景及噪声已经扣除。(c)展示了对(b)的宇宙线识别结果，其中，宇宙线事件用蓝色圆圈标记，恒星星像用红色圆圈标记。

图3 (a)月基光学望远镜月食中巡天原始图像；(b)预处理后图像；(c)标识的宇宙线及星像图像

2.2 月基光学望远镜暗场图像的处理

暗场图像是CCD在完全黑暗环境中曝光一定时间后得到的图像。理论上暗场图像包含两部分：(1)本底场的偏置电压读数；(2)CCD在曝光时间内，像元间暗电流产生的热噪声。从月基光学望远镜的暗场图像发现，有一部分像元的亮度明显超出平均值。这些超亮的像元，如果每帧都有，通常认为是热点或者坏点；如果是偶然发生，通常认为是宇宙线事件。我们将暗场图像中的宇宙线事件作为目标进行识别提取，具体处理方法概述如下：

(1)图像预处理。如同对月基光学望远镜月食期间数据处理一样，本文对暗场图像进行减本底的预处理操作。

(2)扣除暗电流噪声。预处理后的暗场图像通过多帧图像中值合并，可将偶发宇宙线事件剔除，得到这组暗场图像的平均暗电流图像；然后每一帧暗场图像减去对应的平均暗电流图像，扣除暗电流噪声的图像，保留宇宙线事件，同时也剔除了图像中的热点和坏点。

(3)提取宇宙线样本。为了保证宇宙线样本的一致性，在宇宙线识别提取时，采用相同的判据。为了确定宇宙线事件的亮度阈值，首先计算得到每个月的暗场图像背景噪声，以及月食期间图像的背景噪声，结果见表3。4个月的暗场图像背景噪声在5.81～5.92 ADU之间，小于月食期间的背景噪声6.87 ADU，亮度阈值统一取5 × 6.87 ADU。因此，宇宙线识别提取的判据包含两个条件：①亮度阈值大于34.35 ADU；②连通像元数大于等于4。

表3 图像背景起伏及提取参数Table 3 RMS and DETECT_THRESH of LUT

图4给出了月基光学望远镜暗场图像处理流程的效果图。其中，(a)为原始暗场图像，(b)为预处理及扣除暗电流噪声后的效果图。和(a)相比，(b)中的系统噪声已经扣除。(c)展示了对(b)的宇宙线识别结果，其中宇宙线事件用蓝色圆圈标记。

图4 (a)月基光学望远镜暗场原始图像；(b)预处理后的图像；(c)标识宇宙线后的图像Fig.4 (a) Original dark of LUT; (b) preprocessed image; (c) image identified cosmic rays

3 统计分析与结果

3.1 月食期间宇宙线事件的统计分析

本文应用天文位置定标的方法对月基光学望远镜在月食期间实拍的230帧图像进行了宇宙线事件的识别和提取，结果如图5。其中，横坐标是每帧图像开始曝光的UT时间，纵坐标是每帧图像中宇宙线事件的数目。本文算法识别提取宇宙线事件共计29 731例，统计平均值为129.27(±15.78)次/帧。

为了研究月食期间月面辐射环境是否发生变化，我们按照时序分组统计分析了月食期间宇宙线事件的平均计数。将230帧图像分为7组，前6组每组含33帧，第7组含32帧图像，分组统计结果见表4和图6。图6中，横坐标是每组图像曝光的起止UT时间，纵坐标是每组图像中宇宙线事件的平均数和1σ误差。很明显，在1σ误差范围内，月食期间宇宙线事件没有发生变化，说明月面辐射环境没有明显改变。

3.2 月食前中后期宇宙线事件对比分析

为了研究地球对太阳的几何遮挡是否对月面辐射环境产生影响，我们对比分析了月食期间和月食前后的宇宙线事件变化。

本文进一步对2015年8月和10～12月月食前后月基光学望远镜拍摄的暗场图像中的宇宙线事件进行了统计分析，结果如图7。图7中，横坐标是每组暗场图像的图像时序编号，纵坐标是每帧暗场图像中宇宙线事件的计数。

图5 月食期间每帧月基光学望远镜图像中宇宙线事件数量统计图Fig.5 The number of cosmic rays of LUT during eclipse

表4 月食期间月基光学望远镜图像分组及宇宙线事件的平均次数Table 4 LUT image grouping and the mean number of CR in each group during eclipse

图6 月食期间每组月基光学望远镜图像中宇宙线事件平均计数统计图Fig.6 Mean number of cosmic rays in each group during eclipse

图7 暗场图像中宇宙线事件数量Fig.7 The number of cosmic rays of dark

8月和10～12月月基光学望远镜暗场图像中宇宙线事件每帧图像平均计数分别为399.72(±21.25)次、390.00(±36.32)次、395.36(±29.81)次和413.00(±29.72)次。

已知月食期间图像的曝光时间为30 s，暗场图像的曝光时间为100 s。为了方便对比分析，我们将时间统一规划到30 s，得到宇宙线事件在30 s内的次数如表5。

表5 暗场图像中单位时间(30 s)内宇宙线事件平均计数Table 5 The number of cosmic rays per 30 s of dark

从表5可知，在1σ误差范围内，月食前、中、后期宇宙线事件没有发生变化，说明地球对太阳的几何遮挡对月面辐射环境没有明显影响。

3.3 讨 论

月球表面上可遭遇的带电粒子辐射主要来源于银河宇宙线、太阳宇宙线以及太阳风[3-5]。结合本文对月基光学望远镜月食期间观测图像及月食前后暗场图像中的宇宙线事件数量进行的对比分析发现，月食并没有影响月基光学望远镜图像中宇宙线事件的概率。本文分别对银河宇宙线、太阳宇宙线及太阳风粒子在月食前后对月基光学望远镜图像中宇宙线事件的影响进行讨论。

行星际银河宇宙线的空间分布基本上是各向同性的，主要由通量很低、能量在108～1019eV的带电粒子组成。研究表明，地球磁层不能对月球轨道附近宇宙线粒子产生显著的磁屏蔽效应[14]。因此，我们认为月面环境下，月食期间地球对太阳的几何遮挡不会造成月面银河宇宙线事件的明显变化。

太阳宇宙线是在太阳耀发时喷射的能量为105～1010eV的高能粒子，只有当遇到太阳耀斑爆发时月面才可能遭受太阳宇宙线轰击[7]。我们对2015年8～12月期间太阳活动情况进行了查询，依据太阳和太阳圈探测器(Solar and Heliospheric Observatory, SOHO)卫星数据和比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)数据，期间太阳黑子及太阳耀斑情况如图8。图8中，横坐标是统计数据的日期，纵坐标是黑子及耀斑数量。从图8可知，太阳黑子数及耀斑数没有明显变化，太阳黑子数在长周期中属于中等水平，在此期间月基光学望远镜图像中的太阳宇宙线事件比较平稳。

图8 观测期间耀斑和太阳黑子数量，及月基光学望远镜图像中宇宙线事件数量Fig.8 The number of cosmic rays of LUT, and the number of solar flares and sunspots during the observation period

太阳风是由电子和离子(主要是质子)组成的等离子体，无论是否有太阳光照射，月面都有太阳风粒子存在[3-5]。平静期太阳风的平均速度约为400 km·s-1[14]，太阳风粒子到达月面的典型时标是3～4天。月食期间月基光学望远镜采集图像2 h 27 min，远小于太阳风粒子到达月面所需的时标，因此，很难检测到地球对太阳的几何遮挡对太阳风粒子的影响。

4 总 结

月基光学望远镜因在月面观测，图像中存在很多亮度高、面积大、形态与星像类似的宇宙线事件，统计分析这些宇宙线事件的概率可以为研究月面辐射环境提供一定的数据支持。月基光学望远镜在2015年9月28日巡天任务期间经历了唯一一次完整的月全食过程，本文针对月基光学望远镜图像中宇宙线形态特征，运用天文位置定标的方法，能够精确区分特定亮度的宇宙线事件和图像中的恒星星像。

本文对月基光学望远镜在2015年9月月食期间拍摄的230帧巡天观测图像进行分析，识别提取到4连通高于5倍背景起伏的宇宙线事件29 931例；统计得出月食期间月基光学望远镜图像中宇宙线事件平均概率为129.27(±15.78)次/帧；月食期间，在月基光学望远镜图像中宇宙线事件的概率不变，月面辐射环境没有变化。

作为对比，本文对2015年8月、10～12月4个月中月基光学望远镜拍摄的暗场图像中特定亮度宇宙线事件进行了识别提取。在30 s曝光时间内，暗场图像中宇宙线事件平均计数分别为119.92(±6.37)次、117.00(±10.90)次、118.61(±8.94)次和123.90(±8.92)次。误差范围内与月食期间的宇宙线事件计数一致，说明地球对太阳的几何遮挡对月面辐射环境没有明显影响。

最后，本文分别从银河宇宙线、太阳宇宙线以及太阳风粒子角度对结果进行了分析讨论。银河宇宙线在行星际的空间分布基本上是各向同性的，并且地球磁层的磁屏蔽效应不会影响月面辐射环境，月食不会造成月面银河宇宙线事件的明显变化。太阳宇宙线只有在太阳耀斑爆发时才会轰击月面，月食期间太阳耀斑活动稳定，月基光学望远镜图像遭受的太阳宇宙线事件比较平稳。对于太阳风粒子，因其到达月面所需的时标远大于月食期间采集图像的时间，我们通过分析月基光学望远镜图像宇宙线事件数据无法检测到地球对太阳的几何遮挡对太阳风粒子的影响。

由于月基光学望远镜在任务期间没有遭遇剧烈太阳爆发事件，很遗憾我们失去了通过分析月基光学望远镜数据来研究太阳爆发期间地球对太阳的几何遮挡是否会引起月面辐射环境变化的机会。