[论文解读] GaiaNIR: Combining optical and Near-Infra-Red (NIR) capabilities with Time-Delay-Integration (TDI) sensors for a future Gaia-like mission

D. Hobbs, E. Høg+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 8被引用 32

一句话总结

本文提出 GaiaNIR，一项未来空间天体测量任务，结合光学与近红外（NIR）能力，采用时间延迟积分（TDI）传感器以克服星际消光并提升天体测量精度。该研究主张采用混合 HgCdTe 或 InGaAs TDI 检测器并实现片上电荷累加，以降低读出噪声，从而实现深空巡天的亚毫角秒精度，以及超越 Gaia 仅限光学波段的视 parallax 和自行测量精度。

ABSTRACT

ESA recently called for new "Science Ideas" to be investigated in terms of feasibility and technological developments -- for technologies not yet sufficiently mature. These ideas may in the future become candidates for M or L class missions within the ESA Science Program. With the launch of Gaia in December 2013, Europe entered a new era of space astrometry following in the footsteps of the very successful Hipparcos mission from the early 1990s. Gaia is the successor to Hipparcos, both of which operated in optical wavelengths, and Gaia is two orders of magnitude more accurate in the five astrometric parameters and is surveying four orders of magnitude more stars in a vast volume of the Milky Way. The combination of the Hipparcos/Tycho-2 catalogues with the first early Gaia data release will give improved proper motions over a long ~25 year baseline. The final Gaia solution will also establish a new optical reference frame by means of quasars, by linking the optical counterparts of radio (VLBI) sources defining the orientation of the reference frame, and by using the zero proper motion of quasars to determine a non-rotating frame. A weakness of Gaia is that it only operates at optical wavelengths. However, much of the Galactic centre and the spiral arm regions, important for certain studies, are obscured by interstellar extinction and this makes it difficult for Gaia to deeply probe. Traditionally, this problem is overcome by switching to the infra-red but this was not possible with Gaia's CCDs. Additionally, to scan the entire sky and make global absolute parallax measurements the spacecraft must have a constant rotation and this requires that the CCDs operate in TDI mode, increasing their complexity.

研究动机与目标

• 开发一项类似 Gaia 的未来天体测量任务，结合光学与近红外（NIR）天体测量，以穿透银河系中被遮蔽的区域。
• 解决 Gaia 仅限光学波段运行的局限性，该局限性在银河系中心和旋臂区域因星际消光而难以应对。
• 通过集成低读出噪声的 TDI 模式 NIR 检测器，实现亚毫角秒天体测量精度，以支持高精度测量。
• 评估混合 HgCdTe-CMOS 或 InGaAs 传感器与片上 TDI 电荷累加的可行性，以最小化读出噪声。
• 通过结合两代天体测量任务的数据，维持并提升光学参考系的长期稳定性。

提出的方法

• 提出一项双波段天体测量任务，使用光学 CCD 和工作波段为 400–2000 nm 的 NIR TDI 传感器。
• 评估 HgCdTe 或 InGaAs 检测器作为主要 NIR 感光材料的潜力，因其在 NIR 波段具有高量子效率。
• 通过将 HgCdTe 层的电荷传输至基于硅的 CCD 进行存储和逐行传输，实现片上 TDI 电荷累加。
• 通过在 TDI 链末端仅执行一次读出，将读出噪声从 √n × r 降低至 ∼10 e−，即使在 2048 像素的传输中亦可实现。
• 比较单个 NIR 检测器焦平面与光学/NIR 混合焦平面的性能，以确定最优配置。
• 利用欧洲在 HgCdTe 和基于 CMOS 的 TDI 开发方面的现有专长，通过欧洲空间局（ESA）的多任务计划及近期技术进展。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 HgCdTe 的传感器中，片上 TDI 电荷累加能否实现足够低的读出噪声水平，以支持 NIR 波段的亚毫角秒天体测量？
• RQ2 在焦平面上，光学与 NIR 检测器的最佳组合是什么，以最大化天体测量精度与巡天深度？
• RQ3 在 20 年时间基线上，结合 Gaia 数据时，NIR 数据的引入如何提升自行与视 parallax 测量精度？
• RQ4 将高性能、低噪声 TDI 传感器扩展至 2k×2k 格式用于空间天体测量面临哪些技术挑战？
• RQ5 具备 TDI 功能的混合 HgCdTe-CMOS 或 InGaAs 传感器能否满足未来 Gaia 继任任务的天体测量性能要求？

主要发现

• 片外 TDI 累加会导致读出噪声过高（例如，2048 像素时约为 ∼450 e−），因此不适合用于亚毫角秒天体测量。
• 通过将 HgCdTe 层与基于硅的 CCD 连接实现片上电荷累加，可将有效读出噪声降低至 ∼10 e−，从而在 NIR 波段实现类似 Gaia 的天体测量性能。
• 即使在每个像素读出噪声为 1 e− 的理想情况下，片外 TDI 仍会导致总噪声高达 ∼45 e−，进而导致视星等 20 的恒星 parallax 误差超过 1 mas。
• 采用混合 HgCdTe-CMOS 或 InGaAs 传感器并结合片上 TDI 的技术方案在技术上是可行的，并得到近期欧洲在探测器技术方面的进展支持。
• 配备光学与 NIR TDI 传感器的任务，在结合两个 20 年观测周期的数据时，可使自行测量精度提升 14 倍。
• 将 Gaia 与未来 GaiaNIR 任务的数据相结合，可使共同恒星的观测次数翻倍，显著提升 parallax 与自行测量的精度。