[논문 리뷰] Modelling and Correcting the Time-Dependent ACS PSF

Jason Rhodes, R. Massey외 4명|arXiv (Cornell University)|2005. 12. 07.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 수정된 TinyTim 소프트웨어를 사용하여 허블 우주 망원경의 고급 우주 사진기(ACS) WFC에 대해 시간 및 위치에 따라 변하는 PSF 모델링 방법을 제시한다. 이는 약한 렌즈 효과 및 기타 고정밀 응용 분야에서 정확한 PSF 보정을 가능하게 한다. 주요 기여는 열적 영향으로 인한 초점 변화를 고려한 강력하고 유연한 PSF 모델로, 아크초 이내의 정밀도를 달성하며 잔여 오차는 주로 CTE 열화로 기인한다.

ABSTRACT

The ability to accurately measure the shapes of faint objects in images taken with the Advanced Camera for Surveys(ACS) on the Hubble Space Telescope (HST) depends upon detailed knowledge of the Point Spread Function (PSF). We show that thermal fluctuations cause the PSF of the ACS Wide Field Camera (WFC) to vary over time. We describe a modified version of the TinyTim PSF modeling software to create artificial grids of stars across the ACS field of view at a range of telescope focus values. These models closely resemble the stars in real ACS images. Using ~10 bright stars in a real image, we have been able to measure HST's apparent focus at the time of the exposure. TinyTim can then be used to model the PSF at any position on the ACS field of view. This obviates the need for images of dense stellar fields at different focus values, or interpolation between the few observed stars. We show that residual differences between our TinyTim models and real data are likely due to the effects of Charge Transfer Efficiency (CTE) degradation. Furthermore, we discuss stochastic noise that is added to the shape of point sources when distortion is removed, and we present Multidrizzle parameters that are optimal for weak lensing science. Specifically, we find that reducing the Multidrizzle output pixel scale and choosing a Gaussian kernel significantly stabilizes the resulting PSF after image combination, while still eliminating cosmic rays/bad pixels, and correcting the large geometric distortion in the ACS. We discuss future plans, which include more detailed study of the effects of CTE degradation on object shapes and releasing our TinyTim models to the astronomical community.

연구 동기 및 목표

• 허블 우주 망원경의 열적 변동으로 인한 초점 변화로 인해 발생하는 ACS WFC 이미지의 시간에 따라 변하는 PSF 문제를 해결하기 위해.
• ACS 시야 내에서 시간에 따라 초점 변화를 반영한 정밀한 공간 해상도를 가진 PSF 모델을 개발하기 위해.
• 약한 중력 렌즈 효과 및 기타 고다이나믹 레인지 천체물리 응용 분야에 필수적인 정확한 은하 형상 측정을 가능하게 하기 위해.
• MultiDrizzle를 사용한 이미지 조합 과정에서 발생하는 난수적 PSF 왜곡을 최소화하기 위해.
• 다양한 천문학적 분석에 활용 가능한 커뮤니티 접근 가능한 PSF 모델링 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 수정된 TinyTim 버전 6.3을 사용하여 여러 초점 값에서 ACS WFC 시야 전역에 걸쳐 합성 항성 격자를 생성하고 기하학적 왜곡 및 딜레이팅 효과를 통합하였다.
• 실제 ACS 이미지에 포함된 약 10개의 밝은 항성을 활용하여 관측 시점의 망원경의 명백한 초점 위치를 측정하였다.
• 실제 데이터와의 校정을 통해 시야 전역에서 고정밀도의 PSF 표현을 확보하기 위해 TinyTim 모델을 校정하였다.
• 특히 가우시안 커널, pixfrac = 0.8, 그리고 0.03 아크초 출력 픽셀 해상도를 최적화하여 이미지 조합 후 앨리어싱을 최소화하고 PSF 안정성을 확보하였다.
• CTE 열화가 실측 데이터와 모델 간 잔여 오차의 주요 원인임을 규명하였으며, 특히 칩 중심 근처에서 PSF 형상 왜곡이 발생하는 경향이 있었다.
• 사용자가 임의의 필터와 천체 위치에서 PSF를 생성할 수 있도록 모듈식 IDL 래퍼를 개발하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허블 우주 망원경의 열적 변동은 ACS WFC의 PSF에 시간에 따라 변하는 변화를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 수정된 TinyTim 시뮬레이션은 실제 ACS 데이터에서 관측된 공간적·시간적 PSF 변화를 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 이미지 조합 과정에서 난수적 PSF 왜곡을 최소화하면서도 우주선 제거 및 기하 보정 기능을 유지하는 데 최적의 MultiDrizzle 설정은 무엇인가?
• RQ4 CTE 열화 효과는 PSF 형상에 어떻게 나타나며, 모델-데이터 잔여 오차에 기여하는가?
• RQ5 시간 및 위치에 따라 변하는 PSF 모델을 신뢰할 수 있게 생성하고 광범위한 천문학적 응용에 공유할 수 있는가?

주요 결과

• 수정된 왜곡 및 딜레이팅 시뮬레이션을 적용한 TinyTim 모델은 시야 대부분에서 실제 ACS 항성 이미지와 밀도적으로 일치하며, 일반적으로 몇 퍼센트 이내의 일치도를 보였다.
• 열적 초점 이동으로 인해 PSF가 시간에 따라 크게 변화하며, COSMOS 데이터에서 명백한 초점 상태와 열악한 초점 상태 간 타원도 차이가 관측되었다.
• 0.03 아크초 출력 픽셀 해상도, 가우시안 커널, pixfrac = 0.8 설정을 사용한 MultiDrizzle는 앨리어싱을 크게 감소시키고 이미지 조합 중 PSF 안정성을 향상시켰다.
• 모델과 실측 데이터 간 잔여 오차는 주로 CTE 열화로 기인하며, 특히 칩 중심 근처의 약한 신호에서 y방향으로의 꼬임이 PSF 형상 왜곡을 유발한다.
• 이 방법은 ACS 시야 내 어느 위치에서든 정확한 PSF 모델링을 가능하게 하며, F814W 필터에 대해 검증되었고 다른 필터로 쉽게 확장할 수 있다.
• 저자들은 이들의 PSF 모델 및 TinyTim 래퍼를 천문학 커뮤니티에 공개할 계획이며, 약한 렌즈 효과 및 기타 고정밀 응용 분야에서 활용할 수 있도록 한다.