市販部品を中心に構成されたカメラが約2年間軌道上で運用されている。開発者らは、この設計が宇宙天文学における最大級のコスト障壁のひとつである飛行グレードの紫外線検出器の価格を取り除けると主張している。
軌道上での性能実績がある宇宙グレードの天文カメラは長年にわたり高価で、紫外線観測はさらに、その波長域におけるほとんどのセンサーの量子効率の低さに足を引っ張られてきた。トロント大学ダンラップ研究所が主導するLUVCam計画は、大判の市販CMOSセンサーであるGpixel GSENSE4040BSIを核とし、カスタム設計の読み出し回路、ファームウェア、構造体と組み合わせたものだ。4096×4096ピクセル、ピクセルサイズ9μmのこの検出器は、580ナノメートルでピーク量子効率90%、200〜300ナノメートルの紫外域で55%を達成する。この波長域ではシリコンセンサーは歴史的に効率が低かった。高ゲインモードでの実測読み出しノイズは1.7電子で、ベンダー仕様の2.3を下回る。このカメラはITAR規制の対象外で、著者らによれば製造も安価だ。
コストに関する主張の根拠は、宇宙天文学の経済性における不均衡にある。打ち上げ費用は一桁以上低下し、口径50センチメートルの望遠鏡の宇宙機バスと打ち上げを500万ドル未満で調達できるほどになった。一方、観測機器の価格はこれに追随していない。論文によれば、2023年1月に米国天文学会が開催したワークショップは、宇宙での実績を持つ低コスト・高性能な紫外線・可視光カメラの不在を、重要な障壁のひとつとして挙げた。
最初のLUVCamは、ガンマ線バースト検出器の試験台として作られた2U CubeSat GRBBetaに技術実証ペイロードとして搭載され、2024年7月9日のアリアン6ロケット初飛行で宇宙へ運ばれた。ペイロードは96×96×44.5ミリメートル、重さ287グラムで、残りの容積に折り込まれた小型のカスタム紫外線望遠鏡を含む。この望遠鏡は焦点距離55.77ミリメートルのトリプレットレンズで、240〜310ナノメートルのバンドパス、9.5度の視野、センサー自体より小さい入射開口を持つ。チームは当初、LEDフラットフィールド光源を備えた密閉型カメラを計画していたが、GRBBetaの側面パネルのひとつに太陽電池もアンテナもないことに気づき、そのパネルをラジエーターと、開けた宇宙空間への経路に置き換えた。
技術実証の要求事項は意図的に控えめに設定された。ノイズ性能、耐放射線性、打ち上げと熱サイクルへの耐性を検証し、少なくとも90日間運用し、非経常的なエンジニアリング費用を除いて5万カナダドル以下で収めることである。設計から納入まで1年未満だった。カメラは技術成熟度レベル7、すなわち宇宙環境で実証済みのレベルに到達し、現在特性評価が進められている。
放射線試験が設計を方向づけた。バンクーバーのTRIUMF施設での加速陽子線照射では、小型の兄弟センサーが総線量100キロラドで読み出しノイズをおよそ2倍に増やし、暗電流は約60倍に増加した一方、非線形になったピクセルは0.2%未満だった。著者らは、低地球軌道で10年未満のミッションであればこれらの影響は管理可能だと結論づける一方、放射線損傷には総線量だけでなく線量率も重要だと指摘している。
設計の一部は紫外線という観測対象の特性が説明する。過去50年間に軌道上にあったほとんどの紫外線望遠鏡は、GALEXを含め、明るい天体を観測すると局所的な利得低下を起こすマイクロチャネルプレート検出器を使用していた。恒星の紫外線フラックスのカタログTD1は3万1215個の恒星の測定値を収録しており、著者らは、現代のコーティングと紫外線効率の高いセンサーを備えた口径およそ20ミリメートルの望遠鏡が、1970年代にTD-1Aに搭載された27センチメートルのS2/68装置の感度に迫り得ると見積もっている。
LUVCamはさらに複数のミッションへの搭載が決まっている。アブストラクトには2026年打ち上げ予定の2回目の技術実証CubeSatが挙げられており、結論部ではさらに、裏面照射型センサーとアップグレードされた電子回路を備え、遠紫外線領域まで拡張した2027年後半の追加軌道飛行が計画されていると付け加えている。このカメラはまた、2チャンネルの紫外線突発天体観測ミッションでチェコ初の宇宙望遠鏡となるQUVIKに、焦点面カメラ2台を提供する。QUVIKは約3000万ユーロのプロジェクトで、2029年の打ち上げが予定されており、鉄より重い元素を生み出す中性子星の衝突であるキロノバを観測対象とする。ダンラップ研究所はLUVCamを宇宙機器への初進出と位置づけ、その成果がQUVIKミッションに活かされると述べている。
開発者らは、センサーの進歩に合わせてコントローラープラットフォームが最新の状態を保てるよう設計されており、今後の改良版は他のGpixel、Sony、Fairchild Imaging製の検出器を中心に計画されていると主張する。センサーの世代をまたいで電子回路を実質的に同様に保つことで認定基盤が維持され、低コストが高い飛行頻度を可能にする。論文は、個々の研究機関が低コストかつ短い期間で世界クラスの望遠鏡を設計・開発・打ち上げできる近い将来を目標としていると述べている。
雅子 訳