[論文レビュー] Enabling Narrow(est) IWA Coronagraphy with STIS BAR5 and BAR10 Occulters

Glenn Schneider, Andras Gaspar+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ハッブル宇宙望遠鏡の損傷を受けていたSTIS BAR5およびBAR10遮光板が、明るい星の周囲で高コントラスト可視光イメージングにおいて、~0.2"という画期的な内側作業角度（IWA）を達成できることを示している。PSFテンプレート差分法と3点のデイタリング戦略、および更新された指向モデルを用いることで、星からの2"の位置で、~4×10⁻⁵から~1×10⁻⁸ pixel⁻¹のコントラストを達成しており、打ち切り前の損傷にもかかわらず、予備的な科学的根拠を備えたGO科学が可能である。

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.

研究の動機と目的

• 損傷を受けていたSTIS BAR5およびBAR10遮光板を、明るい星の周囲で高コントラストイメージングに使用する可能性を評価すること。
• BAR5遮光板の物理的変形にもかかわらず、達成可能な内側作業角度（IWA）およびコントラスト性能を特定すること。
• 地上での運用を想定した正確な指向モデルと観測戦略を策定・検証し、宇宙空間での信頼性ある使用を可能にすること。
• BAR5、BAR10、ウェッジ型遮光板のIWAおよびコントラスト性能を同等の条件下で比較すること。
• BAR5およびBAR10を、将来的なハッブル・ゲストオブザーバー（GO）プログラムにおける支援済みで科学的に有効なツールとして確立すること。

提案手法

• PSFテンプレート差分法に3点クロスバーのデイタリング戦略（±1/4ピクセル）を適用し、画像の忠実度を向上させ、残留スプライクを低減した。
• HST GO 12923プログラムのデータを用いて、APERTUREマスクのメトロロジーと標的指向要件を再検討し、BAR5の打ち切り前の変形を補正した。
• エンドツーエンドのシミュレーションと軌道上での検証を実施し、原始的画像およびPSF差分後のコントラストを定量した。
• 同一の条件下で、BAR5、BAR10（丸みを帯びたコーナー）およびウェッジ型遮光板のIWA対コントラスト性能を比較した。
• PDBファイルおよびAPT（Astronomer's Proposal Tool）を用いて指向補正を実装し、アライメントの正確性を向上させた。
• 色合いが一致するPSFテンプレートを用いることで、最終的なコロナグラフィック画像における色収差残差を最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損傷を受けていたSTIS BAR5遮光板は、打ち切り前の変形にもかかわらず、実用的な内側作業角度（IWA）を達成できるか？
• RQ2 BAR5およびBAR10遮光板は、可視光コロナグラフィーにおいてどの程度のコントラスト性能を達成できるか？
• RQ3 3点デイタリング戦略は、PSF差分画像法における画像忠実度およびコントラストをどのように向上させるか？
• RQ4 BAR5、BAR10、およびウェッジ型遮光板の相対的なIWAおよびコントラスト利点は何か？
• RQ5 これらの遮光板を用いた信頼性ある支援済みGO科学を実現するには、どの指向補正および観測戦略が必要か？

主な発見

• BAR5遮光板は、打ち切り前の変形を受けても、高コントラストイメージングにおいて有効な内側作業角度（IWA）を~0.2"で達成した。
• PSF差分法と3点デイタリングを組み合わせることで、星からの2"の位置で、原始的画像コントラストが~4×10⁻⁵ pixel⁻¹から~1×10⁻⁸ pixel⁻¹にまで低下した。
• 丸みを帯びたコーナーを備えたBAR10遮光板は、同等のIWAおよびコントラスト性能を提供する代替手段として有効である。
• 更新された指向モデルとAPT/PDBファイルの統合により、標的のアライメント精度と画像忠実度が顕著に向上した。
• PSF差分法とデイタリングの組み合わせにより、信頼性があり繰り返し可能なコントラストレベルが達成され、GO科学に適した条件が整った。
• 著者らは、BAR5およびBAR10を、将来的なハッブル・ゲストオブザーバープログラムにおける完全に支援済みで科学的に有効なツールとして推奨する。