WFC3/UVIS Geometric Distortion -- Time Evolution of Linear Terms w.r.t Gaia

Resumen Técnico: ISR 2024-15 – Distorsión Geométrica de WFC3/UVIS: Evolución Temporal de los Términos Lineales con respecto a Gaia

Planteamiento del Problema
El modelado preciso de la distorsión geométrica es fundamental para la Cámara de Campo Ancho 3 (WFC3/UVIS) en el Telescopio Espacial Hubble (HST) para derivar coordenadas celestes, paralajes y movimientos propios precisos. Si bien la solución de distorsión actual (almacenada en los archivos de referencia IDCTAB, NPOLFILE y D2IMFILE) utiliza un polinomio de cuarto orden y tablas de búsqueda no polinómicas, la estabilidad de sus términos lineales (desplazamiento, rotación, escala y cizalladura/skew) a lo largo del tiempo no había sido evaluada exhaustivamente contra el catálogo de alta precisión Gaia DR3 durante todo el ciclo operativo del instrumento. Una evolución temporal significativa en estos términos lineales podría provocar el desenfoque de las fuentes y una astrometría inexacta al combinar conjuntos de datos de múltiples épocas mediante el proceso de drizzling. Estudios previos se vieron limitados por muestras pequeñas o por la dependencia de un único objetivo ($\omega$ Centauri) que carecía de la fidelidad suficiente en las versiones anteriores de Gaia.

Metodología
Los autores analizaron un conjunto de datos de 7,491 exposiciones de fotograma completo de WFC3/UVIS recolectadas entre 2009 y 2022 en cinco filtros de banda ancha (F275W, F336W, F438W, F606W y F814W). La metodología consistió en:

1. Detección de Fuentes: Ejecutar archivos FLC individuales a través de la rutina hst1pass para generar catálogos de fuentes de alta precisión con posiciones de píxeles y magnitudes.
2. Emparejamiento de Referencia: Consultar el catálogo Gaia DR3 para fuentes dentro de las huellas de las imágenes, corrigiendo las posiciones de Gaia por movimiento propio hacia la época de observación.
3. Alineación: Utilizar la rutina tweakwcs (y tweakreg) para alinear los catálogos de WFC3/UVIS con la referencia de Gaia. Este proceso emplea el algoritmo XYXYMatch para realizar el cruce de fuentes y calcula transformaciones afines (desplazamiento, rotación, escala, cizalladura) para minimizar los residuos en un plano tangente.
4. Análisis: Comparar los parámetros de transformación lineal derivados del WCS alineado con Gaia frente al WCS inicial generado utilizando el IDCTAB estándar. Los autores calcularon las diferencias (o razones para la escala) para determinar el error en los archivos de referencia.
5. Filtrado: Se filtraron las imágenes para incluir solo aquellas con un error RMS (RMSE) inferior a 0.2 píxeles y al menos 50 fuentes emparejadas. Se aplicó un recorte de sigma (sigma clipping) para eliminar valores atípicos antes de ajustar las tendencias lineales en el tiempo.

Contribuciones Clave

• Análisis Temporal a Gran Escala: Este estudio proporciona la primera evaluación exhaustiva de los términos de distorsión lineal de WFC3/UVIS utilizando una línea base de 13 años mediante una muestra diversa de casi 7,500 imágenes, en lugar de depender de un único objetivo.
• Cuantificación de Desplazamientos Dependientes del Filtro: El trabajo identifica y cuantifica desplazों sistemáticos dependientes del filtro en el término de escala que no son contemplados en el modelo de distorsión actual de archivo de referencia único.
• Recomendaciones Operativas: El informe proporciona una guía específica y accionable para observadores y para el procesamiento de tuberías (pipelines) respecto a la necesidad de realinear imágenes y las geometías de ajuste específicas requeridas para la astrometría de alta precisión.

Resultos
El análisis revela que, si bien los términos lineales exhiben una pequeña evolución temporal, estos cambios están generalmente dominados por la dispersión intrínseca y las incertidumbres de apuntamiento, más que por una deriva suave y determinista.

• Desplazamiento (Shift): Los términos de desplazamiento muestran una dispersión significativa (RMS $\approx$ 5 píxeles), atribuida en gran medida a las incertidumbres en el apuntamiento del telescopio y en las coordenadas del Catálogo de Estrellas Guía (GSC). La pendiente temporal es pequeña (0.17 píxeles/año en X, -0.27 píxeles/año en Y).
• Rotación: Se observó un desfase pequeño y estable de $0.003 \pm 0.004$ grados entre 2009 y mediados de 2017. De mediados de 2017 a 2022, los desfases aumentaron hasta alcanzar los 0.01 grados con una gran dispersión, correlacionándose con un periodo de aumento del jitter de apuntamiento del HST. La pendiente lineal es insignificante (-0.00011 grados/año).
• Escala: Se detectó una pequeña evolución temporal de aproximadamente 0.15–0.2 píxeles durante 13 años. Sin embargo, un hallazgo más significativo es un desfase dependiente del filtro en el término de escala, con una diferencia máxima de 0.3 píxeles entre los filtros F275W y F814W en todas las épocas. Esto sugiere que el IDCTAB actual no contempla plenamente las distorsiones geométricas específicas de cada filtro.
• Cizalladura (Skew): El término de cizalladura evoluciona aproximadamente 0.2 $\pm$ 0.3 píxeles en 13 años. El cambio temporal es generalmente menor o comparable a la dispersión RMS, y no se encontraron desfases dependientes del filtro claros.

Significancia y Recomendaciones
El artículo concluye que la evolución dependiente del tiempo de los términos de distorsión lineal es generalmente pequeña en comparación con la incertidumbre en el apuntamiento y la dispersión intrínseca de las mediciones. No obstante, la presencia de desfases de escala dependientes del filtro y la gran dispersión en los términos de rotación/desplazamiento requiere una corrección activa por parte del usuario.

Los autores recomiendan que los observadores:

1. Realinear Imágenes: Utilizar la rutina tweakreg en DrizzlePac para realinear las imágenes FLT/FLC.
2. Ajustar la Geometría Apropiada:
   • Para alineación estándar, utilizar un ajuste de 4 parámetros (fitgeometry='rscale') que incluya desplazamiento, rotación y escala.
   • Para astrometría de alta precisión sobre líneas base largas, utilizar un ajuste de 6 parámetros (fitgeometry='general') para considerar también la cizalladura y escalas independientes en x/y.
3. Verificar el Procesamiento de MAST: Comprobar la palabra clave NMATCHES en los productos de la tubería de MAST. Si se utilizaron menos de 20 coincidencias con Gaia, los usuarios deben considerar resetear el WCS a la solución "a priori" y realizar una realineación manual.

El informe enfatiza que, aunque la tubería de MAST realiza un paso de alineación, a menudo es necesaria la intervención manual utilizando las geometías de ajuste recomendadas para lograr la mayor precisión, particularmente al combinar datos de diferentes filtros o épocas. Trabajos futuros investigarán la implementación de soluciones de distorsión dependientes del tiempo y correcciones de escala globales en el IDCTAB.