[論文レビュー] Geometric distortion and astrometric calibration of the JWST MIRI Medium Resolution Spectrometer

Polychronis Patapis, Ioannis Argyriou+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、ポイント源ラスタ観測と webbpsf を用いたフォワードモデリングを用いて、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の MIRI 中分解能スペクトロメータ（MRS）の高精度な幾何的歪みおよびアストロメトリックキャリブレーションを提示する。このキャリブレーションは、全198スライスにわたり10ミリアーキストラム未塔のRMS精度を達成し、全アストロメトリック不確かさは50 masである。このキャリブレーションは、JWSTパイプラインに統合され、分光データの正確な空間再構築が可能となった。

ABSTRACT

The Medium-Resolution integral field Spectrometer (MRS) of MIRI on board JWST performs spectroscopy between 5 and 28~$μ$m. The optics of the MRS introduce substantial distortion, and this needs to be rectified in order to reconstruct the observed astrophysical scene. We use data from the JWST/MIRI commissioning and cycle 1 calibration phase, to derive the MRS geometric distortion and astrometric solution, a critical step in the calibration of MRS data. These solutions come in the form of transform matrices that map the detector pixels to spatial coordinates of a local MRS coordinate system called $α$/$β$, to the global JWST observatory coordinates V2/V3. For every MRS spectral band and each slice dispersed on the detector, the transform of detector pixels to $α$/$β$ is fit by a two-dimensional polynomial, using a raster of point source observations. A polynomial transform is used to map the coordinates from $α$/$β$ to V2/V3. We calibrated the distortion of all 198 discrete slices of the MIRI/MRS IFUs, and derived an updated Field of View (FoV) for each MRS spectral band. The precision of the distortion solution is estimated to be better than one tenth of a spatial resolution element, with a root mean square (rms) of 10 milli-arcsecond (mas) at 5 $μ$m, to 23 mas at 27 $μ$m. Finally we find that the wheel positioning repeatability causes an additional astrometric error of rms 30 mas. We have demonstrated the MRS astrometric calibration strategy and analysis enabling the calibration of MRS spectra, a critical step in the data pipeline especially for science with spatially resolved objects. The distortion calibration was folded into the JWST pipeline in Calibration Reference Data System (CRDS) context jwst\_1094.pmap. The distortion calibration precision meets the pre-launch requirement, and the estimated total astrometric uncertainty is 50 mas.

研究の動機と目的

• MIRI/MRSの積分場スぺクトロメータにおける顕著な光学的歪みを補正し、天体的シーンの正確な空間再構築を可能にする。
• 検出器ピクセルから天球座標（V2/V3）および局所的MRS座標（α/β）への正確なアストロメトリック解を導出する。
• 空間的に分解された対象物を用いた科学において、スペクトルキューブ再構築におけるサブピクセル精度を確保する。
• 事前発表要件と比較してキャリブレーションを検証し、残存誤差（特にホイール位置決めの再現性の影響）を定量化する。

提案手法

• ポイント源ラスタ観測を用いて、2次元多項式変換をフィットさせ、検出器ピクセルを局所的MRS座標α/βにマップする。
• 各ポイント源の分散されたトレースは、当初1次元の経験的フィッティングにより推定され、その後 webbpsf Pythonパッケージを用いたPSFのフォワードモデリングにより改善された。
• α/β座標をグローバルなJWST V2/V3天球座標にマップするため、2番目の多項式変換を適用した。
• フォワードモデリングを用いた反復的精緻化により、歪み解の精度を向上させた。
• JWST/MIRIのコンmissioningおよびサイクル1キャリブレーションフェーズのデータを用いて、キャリブレーションを検証した。
• 最終的な歪み解は、CRDS（Calibration Reference Data System）に jwst_1094.pmap コンテキストとして統合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIRI/MRSの積分場ユニットに属する198個の離散スライスすべてにおいて、全スペクトルバンドにわたって幾何的歪みプロファイルはどのように変化するか？
• RQ2 検出器ピクセル座標が局所的α/β座標およびグローバルなV2/V3天球座標にどれほど正確に変換可能か？
• RQ3 歪み補正後の残存アストロメトリック誤差は何か？その主な寄与要因は何か？
• RQ4 ホイール位置決めの再現性は、全アストロメトリック不確かさにどのように影響するか？
• RQ5 最終的なキャリブレーションは、事前発表のアストロメトリック性能要件を満たしているか？

主な発見

• 幾何的歪み補正解は、5 µmで10ミリアーキストラム（mas）のRMS誤差を達成し、27 µmでは23 masまで増加した。
• 歪み、トラッキング、ホイール位置決め再現性を含めた全アストロメトリック不確かさは50 masと推定された。
• ホイール位置決め再現性そのものが、アストロメトリック誤差予算に追加で30 mas RMSを寄与させた。
• キャリブレーションは、CRDSコンテキスト jwst_1094.pmap の下で、JWSTパイプラインに正常に統合された。
• 各MRSスペクトルバンドの最終的な視野（FoV）は、キャリブレーション済み歪み解に基づいて更新された。
• キャリブレーションの精度は、事前発表要件を満たしており、空間的に分解された源を用いた科学的データの正確な空間再構築を可能にした。