[论文解读] Addressing the Photometric Calibration Challenge: Explicit Determination of the Instrumental Response and Atmospheric Response Functions, and Tying it All Together

C. W. Stubbs, J. Tonry|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的天文测光校准方法，通过使用NIST校准的光电器件作为计量基础，明确定义仪器响应函数和大气传输函数。结合望远镜在 dome 内测量的全孔径系统响应、MODTRAN 大气模型以及哈勃空间望远镜（HST）的光谱测光标准，作者实现了与实际在轨观测结果一致的合成测光，一致性水平达到 3–5%，除 y_P1 波段外，该波段仍存在 10% 的偏差，标志着测光校准回路首次实现直接闭合。

ABSTRACT

Photometric calibration is currently the dominant source of systematic uncertainty in exploiting type Ia supernovae to determine the nature of the dark energy. We review our ongoing program to address this calibration challenge by performing measurements of both the instrumental response function and the optical transmission function of the atmosphere. A key aspect of this approach is to complement standard star observations by using NIST-calibrated photodiodes as a metrology foundation for optical flux measurements. We present our first attempt to assess photometric consistency between synthetic photometry and observations, by comparing predictions based on a NIST-diode-based determination of the PanSTARRS-1 instrumental response and empirical atmospheric transmission measurements, with fluxes we obtained from observing spectrophotometric standards.

研究动机与目标

• 为降低 Ia 型超新星测光中的系统不确定性，而这些不确定性目前限制了暗能量的约束。
• 利用 NIST 校准的光电器件作为计量基础，建立可追溯至 SI 标准的测光校准框架。
• 明确定义仪器响应函数和大气传输函数，以提高测光精度。
• 通过将基于实测响应函数和大气模型的合成测光与实际在轨观测的光谱标准星进行比较，实现测光校准回路的闭合。
• 识别并量化校准链中的偏差，特别是 y_P1 滤光片中的偏差，以指导未来改进。

提出的方法

• 使用 NIST 校准的光电器件，通过在 dome 内用可调谐激光照射平面光源，测量 PanSTARRS-1 望远镜的相对系统响应函数。
• 通过测量光电器件接收到的入射通量，并与仪器检测到的信号进行比较，推导出全孔径仪器响应函数。
• 基于现场测量的大气条件（包括水汽含量 PWV 和气溶胶含量），对 MODTRAN 大气模型进行经验修正。
• 将推导出的仪器响应函数和大气传输函数代入公式 (1)，利用 HST Calspec SED 数据计算光谱标准星的合成测光。
• 将计算得到的合成通量与在所有六个 PanSTARRS-1 滤光片中通过标准星观测获得的实际在轨仪器星等进行比较。
• 对系统响应函数应用波长相关的“微调”函数，以实现合成测光与实测结果之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NIST 校准的光电器件能否提供一种可追溯至 SI 标准的参考，用于确定大视场光学望远镜的全孔径仪器响应函数？
• RQ2 基于实测仪器响应函数和大气传输函数的合成测光，在多大程度上能再现光谱标准星的实际在轨通量？
• RQ3 合成测光与实测测光之间的残差偏差的大小及其光谱依赖性如何？可能的原因是什么？
• RQ4 在真实望远镜观测背景下，经过经验修正的 MODTRAN 大气模型在多大程度上能准确再现真实大气传输特性？
• RQ5 为何 y_P1 滤光片在一致性检验中表现出更大的偏差（10%），而其他波段仅为 3–5%？

主要发现

• 作者在 g_P1、r_P1、i_P1 和 z_P1 滤光片中实现了合成测光与实际在轨观测之间 3–5% 的一致性。
• y_P1 滤光片显示出 10% 的更大偏差，表明该波段的仪器响应或大气建模可能存在潜在问题。
• 为使合成测光与实测通量对齐，需施加约 3–4% 的均方根“微调”，表明响应函数模型中存在系统性偏差。
• 本研究首次通过使用可追溯至 NIST 的仪器响应函数和经验修正的大气模型，实现了测光校准回路的直接闭合。
• 结果验证了使用 NIST 校准的光电器件作为高精度测光校准的计量基础，在大型巡天望远镜中的可行性。
• y_P1 波段的偏差提示光学多路径效应或滤光片透射率校准中仍存在未解决的问题，需进一步研究。