[논문 리뷰] Geometric distortion and astrometric calibration of the JWST MIRI Medium Resolution Spectrometer

Polychronis Patapis, Ioannis Argyriou외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 03.

Atmospheric Ozone and Climate인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 웹버스 테일러의 MIRI 중간 해상도 스펙트로미터(MRS)를 위한 고정밀 기하학적 왜곡 및 천체측량 보정을 제시한다. 점원소 래스터 관측과 webbpsf를 이용한 정방향 모델링을 통해 수행되었으며, 모든 198개 슬라이스에서 10 밀리초초 이내의 RMS 정확도를 달성하였고, 총 천체측량 불확도는 50 밀리초초였다. 이 보정은 JWST 파이프라인에 통합되어 분광학적 데이터의 정확한 공간 재구성에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• MIRI/MRS 통합장치 스펙트로미터의 상당한 광학적 왜곡을 보정하여 천체적 장면의 정확한 공간 재구성을 가능하게 하기.
• 검출기 픽셀 좌표를 천구좌표(V2/V3)와 국지적 MRS 좌표(α/β)로 매핑하는 정밀한 천체측량 해법을 도출하기.
• 공간적으로 분해능이 있는 물체를 위한 과학 연구에서 픽셀을 초과하지 않는 정확도로 스펙트럼 큐브 재구성 보장하기.
• 사전 출시 요구사항과 비교하여 보정을 검증하고 잔류 오차를 정량화하기(휠 위치 반복성 영향 포함)

제안 방법

• 점원소 관측 래스터를 이용해 검출기 픽셀을 국지적 MRS α/β 좌표로 매핑하기 위해 이차 다항식 변환을 적합화함.
• 각 점원소의 산란 흔적은 처음에는 일차원 경험적 피팅을 통해 추정되었고, 이후 webbpsf 파이썬 패키지를 이용한 PSF 정방향 모델링을 통해 보정됨.
• α/β 좌표를 전역 JWST V2/V3 천구좌표로 매핑하기 위해 두 번째 다항식 변환을 적용함.
• 정확도 향상을 위해 정방향 모델링을 반복적으로 적용하여 왜곡 해법을 개선함.
• JWST/MIRI 시운전 단계 및 사이클 1 보정 단계의 데이터를 사용하여 보정을 검증함.
• 최종 왜곡 해법은 CRDS(캘리브레이션 기준 데이터 시스템)에 jwst_1094.pmap 컨텍스트로 통합됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 스펙트럼 대역에서 MIRI/MRS 통합장치의 198개 개별 슬라이스에 대한 기하학적 왜곡 프로파일은 어떻게 되는가?
• RQ2 검출기 픽셀 좌표가 국지적 α/β 및 전역 V2/V3 천구좌표로 얼마나 정확하게 변환될 수 있는가?
• RQ3 왜곡 보정 이후 잔류 천체측량 오차는 얼마이며, 그 원인은 무엇인가?
• RQ4 휠 위치 반복성은 총 천체측량 불확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 최종 보정은 사전 출시 천체측량 성능 요구사항을 충족하는가?

주요 결과

• 기하학적 왜곡 보정 해법은 5 µm에서 10 밀리초초(RMS) 오차를 달성하였고, 27 µm에서는 23 밀리초초로 증가함.
• 왜곡, 추적 오차, 휠 위치 반복성까지 포함한 총 천체측량 불확도는 약 50 밀리초초로 추정됨.
• 휠 위치 반복성만으로도 천체측량 오차 예산에 추가로 30 밀리초초(RMS) 기여함.
• 보정은 CRDS 컨텍스트 jwst_1094.pmap 하에 성공적으로 JWST 파이프라인에 통합됨.
• 각 MRS 스펙트럼 대역의 최종 시야(FoV)는 보정된 왜곡 해법에 따라 업데이트됨.
• 보정 정밀도는 사전 출시 요구사항을 충족하며, 공간적으로 분해능이 있는 소스를 위한 MRS 데이터의 정확한 공간 재구성 가능하게 함.