[논문 리뷰] Enabling Narrow(est) IWA Coronagraphy with STIS BAR5 and BAR10 Occulters

Glenn Schneider, Andras Gaspar외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 26.

CCD and CMOS Imaging Sensors인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 허블 우주望遠鏡의 손상된 STIS BAR5 및 BAR10 은둔자(occulters)가 밝은 항성 주변 고대비 가시광선 영상에서 사상적인 내부 작업 각도(inner working angle, IWA) 약 0.2"을 달성할 수 있음을 보여준다. PSF 템플릿 차감과 3점 이동 전략(dithering)을 활용하고, 업데이트된 조준 모델을 적용함으로써, 항성으로부터 2" 떨어진 곳에서 픽셀당 약 4×10⁻⁵에서 ~1×10⁻⁸의 대비 수준을 달성하였으며, 이는 사전에 손상된 상태였음에도 불구하고 정식으로 지원되는 GO 과학 임무를 수행할 수 있음을 뒷받침한다.

ABSTRACT

The Space Telescope Imaging Spectrograph's (STIS) BAR5 coronagraphic occulter was designed to provide high-contrast, visible-light, imaging in close (>= 0.15") angular proximity to bright point-sources. This is the smallest inner working angle (IWA) possible with HST's suite of coronagraphically augmented instruments through its mission lifetime. The STIS BAR5 image plane occulter, however, was damaged (bent and deformed) pre-launch and had not been enabled for GO science use following the installation of the instrument in 1997, during HST servicing mission SM2. With the success of the HST GO 12923 program, discussed herein, we explored and verified the functionality and utility of the BAR5 occulter. Thus, despite its physical damage, with updates to the knowledge of the aperture mask metrology and target pointing requirements, a robust determination of achievable raw and PSF-subtracted stellocentric image contrasts and fidelity was conducted. We also investigated, and herein report on, the use of the BAR10 rounded corners as narrow-angle occulters and compare IWA vs. contrast performance for the BAR5, BAR10, and Wedge occulters. With that, we provide recommendations for the most efficacious BAR5 and BAR10 use on-orbit in support of GO science. With color-matched PSF-template subtracted coronagraphy, inclusive of a small (+/- 1/4 pixel) 3-point cross-bar dithering strategy we recommend, we find BAR5 can deliver effective ~ 0.2" IWA image contrast of ~ 4 x 10^-5 pixel^-1 to ~ 1 x 10^-8 pixel^-1 at 2". With the pointing updates (to the PDB SIAF.dat file and/or implemented through APT) that we identified, and with observing strategies we explored, we recommend the use of STIS BAR5 coronagraphy as a fully "supported" capability for unique GO science.

연구 동기 및 목표

• 손상된 STIS BAR5 및 BAR10 은둔자가 밝은 항성 주변 고대비 영상에 사용 가능한지의 가능성을 평가하는 것.
• BAR5 은둔자가 물리적으로 변형되어 있음에도 불구하고 도달 가능한 내부 작업 각도(IWA)와 대비 성능을 규명하는 것.
• 신뢰할 수 있는 궤도 운영을 위한 업데이트된 조준 모델과 관측 전략을 개발하고 검증하는 것.
• 동일 조건에서 BAR5, BAR10, 그리고 와이드 은둔자(wedge occulter)의 IWA 및 대비 성능을 비교하는 것.
• BAR5 및 BAR10을 향후 Hubble Guest Observer 프로그램에서 지원되는 과학적으로 타당한 도구로 정립하는 것.

제안 방법

• 이미지 정밀도 향상과 잔여 스펙클 억제를 위해 PSF 템플릿 차감과 3점 크로스바 이동 전략(±1/4 픽셀)을 활용하였다.
• HST GO 12923 프로그램의 데이터를 바탕으로 약물 마스크 측정 및 목표 조준 요구사항을 재검토하여 BAR5의 사전 발사 변형을 보정하였다.
• 엔드 투 엔드 시뮬레이션과 궤도 검증을 수행하여 원시 이미지 및 PSF 차감 이미지의 대비를 정량화하였다.
• 동일 조건에서 BAR5, BAR10(둥근 모서리), 그리고 와이드 은둔자의 IWA 대비 성능을 비교하였다.
• PDB 파일과 APT(Astronomer's Proposal Tool)를 통한 조준 보정을 구현하여 정렬 정확도를 향상시켰다.
• 색상에 맞춘 PSF 템플릿을 사용하여 최종 코로나그래픽 이미지의 색채 잔여물 최소화를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사전 발사 변형이 있는 손상된 STIS BAR5 은둔자가 유용한 내부 작업 각도(IWA)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 BAR5 및 BAR10 은둔자를 사용할 경우 가시광선 코로나그래피에서 도달 가능한 대비 성능 수준은 무엇인가?
• RQ3 3점 이동 전략은 PSF 차감 영상에서 이미지 정밀도와 대비를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 BAR5, BAR10, 그리고 와이드 은둔자 간의 상대적 IWA 및 대비 우월성은 무엇인가?
• RQ5 이 은둔자를 신뢰할 수 있고 지원되는 GO 과학을 위해 사용하기 위해 필요한 조준 보정 및 관측 전략는 무엇인가?

주요 결과

• 사전 발사 시 변형된 것으로 알려진 BAR5 은둔자도 고대비 영상에서 효과적인 내부 작업 각도(IWA) 약 0.2"을 달성한다.
• PSF 차감과 3점 이동 전략을 적용한 결과, BAR5 은둔자는 항성으로부터 2" 떨어진 곳에서 원시 이미지 대비 약 4×10⁻⁵ 픽셀⁻¹에서 ~1×10⁻⁸ 픽셀⁻¹ 수준을 달성한다.
• 둥근 모서리를 가진 BAR10 은둔자는 유사한 IWA 및 대비 성능을 제공하는 타당한 대안이 된다.
• 업데이트된 조준 모델과 APT/PDB 파일 통합이 목표 정렬 정확도 및 이미지 정밀도를 크게 향상시켰다.
• PSF 차감과 이동 전략의 조합은 GO 과학에 적합한 견고하고 반복 가능한 대비 수준을 가능하게 한다.
• 저자들은 향후 허블 게스트 오퍼레이터 프로그램에서 BAR5 및 BAR10를 완전히 지원되며 과학적으로 타당한 도구로 추천한다.