[논문 리뷰] GaiaNIR: Combining optical and Near-Infra-Red (NIR) capabilities with Time-Delay-Integration (TDI) sensors for a future Gaia-like mission

D. Hobbs, E. Høg외 23명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 8인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 향후 우주 천체측량 임무인 GaiaNIR을 제안하며, 시차-적재(시간 지연 통합, TDI) 센서를 사용해 가시광선과 근적외선(NIR) 기능을 융합함으로써 간섭성과 천체측량 정확도를 향상시키는 것을 목적으로 한다. 이는 독자적인 HgCdTe 또는 InGaAs TDI 검출기를 사용하고, 칩 내부에서 전하 합산을 통해 읽기 노이즈를 줄여, 깊은 천체 영역의 조사에서 밀리초각 이하의 정밀도를 달성하고, 기존 가이아의 가시광선 중심 임무의 한계를 초월한 기울기 및 운동 측정을 향상시킨다.

ABSTRACT

ESA recently called for new "Science Ideas" to be investigated in terms of feasibility and technological developments -- for technologies not yet sufficiently mature. These ideas may in the future become candidates for M or L class missions within the ESA Science Program. With the launch of Gaia in December 2013, Europe entered a new era of space astrometry following in the footsteps of the very successful Hipparcos mission from the early 1990s. Gaia is the successor to Hipparcos, both of which operated in optical wavelengths, and Gaia is two orders of magnitude more accurate in the five astrometric parameters and is surveying four orders of magnitude more stars in a vast volume of the Milky Way. The combination of the Hipparcos/Tycho-2 catalogues with the first early Gaia data release will give improved proper motions over a long ~25 year baseline. The final Gaia solution will also establish a new optical reference frame by means of quasars, by linking the optical counterparts of radio (VLBI) sources defining the orientation of the reference frame, and by using the zero proper motion of quasars to determine a non-rotating frame. A weakness of Gaia is that it only operates at optical wavelengths. However, much of the Galactic centre and the spiral arm regions, important for certain studies, are obscured by interstellar extinction and this makes it difficult for Gaia to deeply probe. Traditionally, this problem is overcome by switching to the infra-red but this was not possible with Gaia's CCDs. Additionally, to scan the entire sky and make global absolute parallax measurements the spacecraft must have a constant rotation and this requires that the CCDs operate in TDI mode, increasing their complexity.

연구 동기 및 목표

• 은하수 중심부 및 나선다리 영역에서 음영을 띠는 영역을 관통할 수 있도록 가시광선과 근적외선(NIR) 천체측량을 융합한 미래의 가이아 유사 임무를 개발하기 위해.
• 가이아의 가시광선 중심 운영 방식이 은하수 중심부 및 나선다리에서의 간섭성 문제로 어려움을 겪는 점을 해결하기 위해.
• 낮은 읽기 노이즈를 갖춘 TDI 모드 NIR 검출기를 통합해 밀리초각 이하의 천체측량 정밀도를 달성하기 위해.
• 칩 내부에서 TDI 전하 합산 기능을 갖춘 하이브리드 HgCdTe-CMOS 또는 InGaAs 센서의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 두 세대의 천체측량 임무 데이터를 융합해 천체측량 기준 프레임의 장기적 안정성을 유지하고 향상시키기 위해.

제안 방법

• 400–2000 nm 범위에서 작동하는 가시광선 CCD와 NIR TDI 센서를 사용한 双파장 천체측량 임무를 제안한다.
• 근적외선 대역에서 높은 양자 효율성을 보이는 데 비해, 근적외선 감지 재료로 HgCdTe 또는 InGaAs 검출기를 주로 평가한다.
• HgCdTe 층에서 전하를 전달해 실리콘 기반 CCD에 저장하고 순차적으로 이동시키는 방식으로 칩 내부 TDI 전하 합산을 구현한다.
• TDI 체인의 끝에서 한 번의 읽기만 수행함으로써 읽기 노이즈를 √n × r 에서 조건부로 약 10 e− 로 줄여, 2048 픽셀 이동 시에도 노이즈를 최소화한다.
• 단일 NIR 검출기 패널과 하이브리드 가시광선/NIR 패널의 성능을 비교하여 최적의 구성 조합을 도출한다.
• ESA의 다중 활동 프로그램과 최근 기술 발전을 통해 유럽에서 축적된 HgCdTe 및 CMOS 기반 TDI 개발 전문성을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HgCdTe 기반 센서에서 칩 내부 TDI 전하 합산이 근적외선에서 밀리초각 이하의 천체측량을 가능하게 할 정도로 충분히 낮은 읽기 노이즈 수준을 달성할 수 있는가?
• RQ2 천체측량 정밀도와 조사 깊이를 극대화하기 위해 패널 내에서 가시광선 및 NIR 검출기의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ3 20년 기준으로 Gaia 데이터와 함께 근적외선 데이터를 통합할 경우, 운동 및 기울기 측정이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 우주 기반 천체측량을 위해 고성능 저노이즈 TDI 센서를 2k×2k 포맷으로 확장하는 데 있어 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ5 TDI 기능을 갖춘 하이브리드 HgCdTe-CMOS 또는 InGaAs 센서가 향후 가이아 후속 임무의 천체측량 성능 요구사항을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 칩 외부에서 TDI 합산을 수행할 경우 읽기 노이즈가 급격히 증가하여, 예를 들어 2048 픽셀 기준 약 450 e− 수준에 도달해 밀리초각 이하 천체측량에 부적합하다.
• 실리콘 기반 CCD에 연결된 HgCdTe 층을 이용한 칩 내부 전하 합산은 효과적인 읽기 노이즈를 약 10 e− 수준으로 낮춰, 근적외선 영역에서 가이아 수준의 천체측량 성능을 달성할 수 있다.
• 매우 낙관적인 1 e− 읽기 노이즈(픽셀당) 조건이라도 칩 외부 TDI는 여전히 약 45 e−의 총 노이즈를 유발하여, 등급 20의 항성에서 기울기 오차가 1 밀리초각 이상 발생한다.
• 하이브리드 HgCdTe-CMOS 또는 InGaAs 센서에 칩 내부 TDI를 적용하는 것은 기술적으로 실현 가능하며, 최근의 유타 유럽 기술 개발에 의해 뒷받침된다.
• 가시광선 및 NIR TDI 센서를 모두 탑재한 임무는 두 20년 기간의 데이터를 융합함으로써 운동 정밀도를 약 14배 향상시킬 수 있다.
• 가이아와 향후 GaiaNIR 임무의 데이터를 융합하면 공통 항성의 관측 횟수가 두 배로 증가하여, 기울기 및 운동 정밀도가 크게 향상된다.