Early Telescope Throughput Results from the Collimated Beam Projector at the Vera C. Rubin Observatory

Resumen Técnico: Resultados Iniciales de la Transmitancia del Telescopio mediante el Proyector de Haz Colimado en el Observatorio Vera C. Rubin

Planteamiento del Problema
El Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera C. Rubin requiere una precisión fotométrica de per-mil (0.1%) para cumplir con sus objetivos científicos, particularmente para los análisis cosmológicos basados en supernovas de Tipo Ia. A medida que las incertidumbres estadísticas disminuyen con muestras más grandes, los errores sistemáticos en la calibración instrumental se convierten en la limitación dominante. Los métodos de calibración tradicionales, como el flat-fielding y las observaciones de estrellas estándares espectrofotométricas (por ejemplo, CALSPEC), enfrentan limitaciones significativas: el flat-fielding es sensible a la no uniformidad de la fuente de luz, mientras que las observaciones de estrellas estándar se ven afectadas por la transmisión atmosférica, el fondo del cielo y las incertidumbres en las distribuciones de energía espectral (SED) de referencia. Además, los modelos teóricos de enanas blancas utilizados para la calibración celeste han mostrado variaciones que exceden el presupuesto de incertidumbre requerido. Para abordar estos desafíos, específicamente el componente de la transmitancia instrumental, se requiere un instrumento de calibración dedicado dentro del domo para eludir los efectos atmosféricos y proporcionar mediciones directas y controladas del sistema óptico.

Metodología
El artículo presenta los resultados del Proyector de Haz Colimado (CBP, por sus siglas en inglés), un subsistema diseñado para inyectar un haz colimado, monocromático y de flujo conocido directamente en la apertura del telescopio. El CBP imita el comportamiento de una fuente puntual distante (estrella) sin interferencia atmosférica.

• Configuración Instrumental: El CBP consiste en un ensamblaje de telescopio óptico (f/2.6, 0.635 m de distancia focal), una fuente láser pulsada sintonizable (300–2300 nm) y un sistema de monitoreo de flujo. El sistema utiliza una esfera de integración con un recubrimiento Spectraflect para asegurar la uniformidad del haz y una rueda de máscaras para seleccionar patrones de iluminación. Un fotodiodo de silicio Hamamatsu, calibrado contra estándares del NIST con una eficiencia cuántica (QE) conocida con una precisión superior al 0.1%, monitorea el flujo incidente.
• Adquisición de Datos: El CBP proyecta puntos sobre el plano focal de LSSTCam. El estudio utiliza una configuración de máscara de "un solo punto por CCD" para muestrear el plano focal de manera eficiente minimizando la contaminación por imágenes fantasma (ghosts). El co-apuntamiento entre el CBP fijo y el telescopio se gestiona mediante un modelo basado en datos de levantamiento de rastreador láser.
• Estrategia de Observación: Las campañas se realizaron con y sin filtros de banda ancha de LSST. El muestreo de longitud de onda se adaptó al objetivo: pasos de 20 nm para la respuesta general del telescopio (sin filtro) y pasos más finos (2 nm cerca de los bordes, 5 nm en mesetas) para la caracterización de la transmisión de los filtros. Se utilizaron múltiples apuntamientos de pupila para muestrear diferentes regiones del espejo primario.
• Flujo de Trabajo de Análisis: El procesamiento de datos ocurre dentro del marco de Gestión de Datos (DM) de Rubin. Crucialmente, se omitió la corrección de flat-field para preservar las variaciones intrínsecas de respuesta de CCD a CCD que el CBP pretende medir. La fotometría se extrae mediante fotometría de apertura forzada en los puntos primarios tras la sustracción del fondo.

Resultados Clave

1. Eficiencia Cuántica Relativa (RQE): El CBP midió con éxito la RQE relativa de los detectores de LSSTCam (tanto tipos e2v como ITL) a través del plano focal. Se observó una discrepancia sistemática a nivel de porcentaje entre las curvas de RQE medidas por el CBP y los valores tabulados de laboratorio en el rango de 400–860 nm. Esto sugiere que los datos de QE de laboratorio pueden ser insuficientes para los requisitos de precisión de per-mil del sondeo.
2. Fringeado de Infrarrojos: Por encima de los 800 nm (bandas z y y), el fringeado de infrarrojos distorsionó los perfiles de los puntos, causando una redistribución de flujo entre el núcleo y las alas. Esto introdujo variaciones de respuesta diferencial entre detectores que exceden el 5–10%, complicando la calibración en estas bandas.
3. Transmitancia de Filtros: El artículo presenta la primera medición in-situ de los perfiles de transmisión de los filtros de banda ancha de LSST para cinco de los seis filtros (g, r, i, z, y) utilizando un único apuntamiento de pupila. Las curvas de transmitancia medidas concuerdan generalmente con los datos tabulados por el fabricante, observándose una notable discrepancia del 3% en la banda g.
4. Efectos del Ángulo de Incidencia: El estudio demostró que los bordes de transmisión de los filtros se desplazan hacia longitudes de onda más cortas (desplazamiento al azul) en función del ángulo de incidencia del rayo. Debido a que el CBP proyecta rayos en ángulos variables a través del plano focal para un solo apuntamiento, los bordes de banda de los filtros exhiben variaciones espaciales de varios nanómetros.
5. Incertidumbre de Transmisión del CBP: Se encontró una discrepancia significativa (>15% en longitudes de onda >700 nm) entre las curvas de transmisión del CBP medidas en el laboratorio de Tucson y las medidas en la cumbre tras el reensamblaje. Esta incertidumbre actualmente impide que el CBP proporcione una calibración de precisión absoluta de per-mil de la respuesta total del telescopio, aunque sigue siendo efectivo para medir variaciones relativas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece al CBP como una herramienta poderosa para caracterizar la respuesta instrumental del Telescopio Simonyi y medir los perfiles de transmisión de los filtros de LSSTCam en un entorno controlado. La significancia principal radica en demostrar la capacidad de:

• Realizar el mapeo espacialmente resuelto de los desplazamientos de los bordes de banda de los filtros, un factor crítico para la fotometría precisa dada la dependencia del ángulo de incidencia de los filtros de interferencia curvos.
• Identificar discrepancias sistemáticas entre los datos de QE de laboratorio y las mediciones in-situ, resaltando la necesidad de una calibración in-situ para los estrictos requisitos de LSST.
• Proporcionar una base para el monitoreo continuo de la transmitancia durante las operaciones de LSST.

Los autores concluyen que, si bien el CBP ha caracterizado con éxito las respuestas relativas de los detectores y los perfiles de los filtros, lograr el objetivo de calibración completo de per-mil requiere un mayor desarrollo, específicamente una caracterización más precisa de la transmisión del CBP (resolviendo la discrepancia entre la cumbre y el laboratorio) y el desarrollo de un modelo de corrección de viñeteado para la iluminación de pupila parcial. Además, el modelado y la corrección del fringeado de infrarrojos se identifican como pasos necesarios para una calibración precisa en las bandas z y y.