[论文解读] 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 7

一句话总结

本文证明，哈勃空间望远镜上的受损STIS BAR5和BAR10日面遮罩可在明亮恒星附近实现前所未有的内工作角（IWA）~0.2"，用于高对比度可见光成像。通过使用PSF模板减去法结合三点交错观测策略，并采用更新的指向模型，作者实现了在距离恒星2"处~4×10⁻⁵至~1×10⁻⁸像素⁻¹的对比度水平，即使在发射前已受损的情况下，仍可支持可靠、经证实的GO科学观测。

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.

研究动机与目标

• 评估利用受损STIS BAR5和BAR10遮罩在明亮恒星附近进行高对比度成像的可行性。
• 确定尽管BAR5遮罩存在物理形变，仍可实现的内工作角（IWA）与对比度性能。
• 开发并验证用于在轨可靠使用的更新指向模型与观测策略。
• 在相同条件下，比较BAR5、BAR10与楔形遮罩在IWA与对比度方面的性能。
• 确立BAR5与BAR10为支持的、科学上可行的GO（客座观测员）项目工具。

提出的方法

• 采用PSF模板减去法结合三点十字交错观测策略（±1/4像素），以提升图像保真度并抑制残留光斑。
• 利用HST GO 12923计划的数据，重新校准孔径掩模量测与目标指向要求，以校正BAR5在发射前的形变。
• 通过端到端模拟与在轨验证，量化原始图像与PSF减去后图像的对比度。
• 在相同条件下，比较BAR5、BAR10（圆角）与楔形遮罩的IWA与对比度性能。
• 通过PDB文件与APT（天文学者提案工具）实现指向校正，以提高对准精度。
• 使用颜色匹配的PSF模板，以最小化最终冠状仪图像中的色差残留。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在发射前已发生形变，受损的STIS BAR5遮罩是否仍可实现可用的内工作角（IWA）？
• RQ2 BAR5与BAR10遮罩在可见光冠状仪观测中可实现的对比度性能水平如何？
• RQ3 三点交错观测策略如何提升PSF减去法成像中的图像保真度与对比度？
• RQ4 BAR5、BAR10与楔形遮罩在IWA与对比度方面相比有何相对优势？
• RQ5 为实现这些遮罩在可靠、支持的GO科学中的应用，需要哪些指向校正与观测策略？

主要发现

• 尽管BAR5遮罩在发射前已发生弯曲与形变，其在高对比度成像中仍可实现约~0.2"的有效内工作角（IWA）。
• 通过PSF减去法与三点交错观测，BAR5遮罩在距离恒星2"处的原始图像对比度可达~4×10⁻⁵像素⁻¹至~1×10⁻⁸像素⁻¹。
• BAR10遮罩在采用圆角设计时，可作为性能相当的替代方案，具备相近的IWA与对比度表现。
• 更新的指向模型与APT/PDB文件集成显著提升了目标对准精度与图像保真度。
• PSF减去法与交错观测的结合可实现稳健、可重复的对比度水平，适用于GO科学。
• 作者建议将BAR5与BAR10作为完全支持的、科学上可行的工具，用于未来的哈勃客座观测员项目。