In Situ Measurements of the Reflectances of the LSSTCam Optics and Assessing the Impact of Optical Ghosts

Resumen Técnico: Mediciones In Situ de las Reflectancias de la Óptica de LSSTCam y Evaluación del Impacto de los Espectros Fantasma (Ghosts)

Planteamiento del Problema
Los espectros fantasma (ghosts) son artefactos de imagen resultantes de reflexiones sucesivas de luz entre superficies ópticas (lentes, filtros y detectores). Aunque generalmente son despreciables para la mayoría de las fuentes astronómicas, los fantasmas producidos por estrellas brillantes pueden contaminar significamente los datos, planteando desafíos para la estimación del fondo del cielo, las mediciones fotométricas y la ciencia de baja luminosidad superficial. El Requisito del Sistema LSST establece que el porcentaje del área de la imagen que contiene fantasmas con una amplitud de gradiente de brillo superficial superior a 1/3 del ruido del cielo por cada 1 segundo de arco debe ser inferior al 1%. Sin embargo, la redacción de este requisito permite interpretaciones. Los autores adoptan una definición conservadora: el área total del plano focal que contiene un fantasma con un flujo superior a 1/3 del ruido del cielo en cualquier detector. El desafío principal abordado es cuantificar esta área impactada y validar los supuestos de reflectancia óptica utilizados en las simulaciones, ya que las mediciones directas en el cielo están complicadas por un aplanamiento de campo (flat-fielding) desigual, la degeneración espacial de los fantasmas superpuestos y los gradientes del fondo del cielo.

Metodología
El estudio emplea un enfoque de dos vertientes que combina simulaciones de trazado de rayos ópticos con mediciones de reflectancia in situ.

1. Marco de Simulación (Batoid):

   • Los autores utilizan el paquete de Python Batoid para simular fantasmas ópticos para visitas específicas de LSSTCam.
   • Datos de Entrada: Se identifican estrellas brillantes del Catálogo de Estrellas Brillantes de Yale dentro de 1.9 grados del eje central (boresight). Las magnitudes se transforman de la banda V a las bandas de LSST (u, g, r, i, z, y) utilizando ecuaciones de transformación fotométrica establecidas (convirtiendo vía el sistema DES siempre que sea posible; de lo contrario, se usan magnitudes de banda V como proxies).
   • Modelado de Fantasmas: Los fantasmas se modelan basándose en las trayectorias de los rayos entre elementos ópticos específicos (por ejemplo, Lente 3 a Filtro, Detector a Filtro). La simulación calcula la morfología, el flujo y el brillo superficial de los fantasmas para cada visita.
   • Cálculo de Impacto: Para cada fantasma, se calcula el brillo superficial ($S_n$) dividiendo el flujo total del fantasma por el área del fantasma en un detector específico. Se computa la relación de este brillo superficial con el ruido medio del cielo. Si esta relación excede 1/3, el área se marca como "impactada". El área impactada total es la unión de todas estas áreas a través de todos los fantasmas y detectores, contabilizando las superposiciones.

2. Mediciones de Reflectancia In Situ (Proyector de Haz Colimado):

   • Para validar los valores de reflectancia utilizados en las simulaciones, los autores utilizaron el Proyector de Haz Colimado (CBP), un telescopio Schmidt de 30 cm equipado con un láser, montado en el domo del Observatorio Rubin.
   • Procedimiento: El CBP proyecta una fuente puntual, monocromática, sobre el espejo primario, creando fantasmas artificiales en el plano focal. Los datos se recolectaron durante la puesta en servicio en las bandas "sin filtro", g, r e i.
   • Extracción de Flujo: Los autores agruparon los datos y utilizaron Batoid para generar plantillas morfológicas para 16 fantasmas prominentes. Emplearon un ajuste de mínimos cuadrados no negativos para extraer el flujo de cada fantasma relativo a la fuente. Para evitar el sesgo de la fuente saturada, se realizó un segundo ajuste con la región de la fuente enmascarada.
   • Derivación de Reflectancia: Los flujos de los fantasmas ($f_{A,B}$) y el flujo de la fuente ($f_{src}$) se relacionan mediante el producto de las reflectancias de los dos elementos ópticos involucrados ($R_A R_B$). Al linealizar el sistema de ecuaciones en el espacio logarítmico ($\log(f_{A,B}/f_{src}) = \log R_A + \log R_B$), los autores resolvieron las reflectancias individuales de las superficies ópticas (Filtro, Detector, Lentes) mediante una inversión de matriz de mínimos cuadrados.

Resultados Clave

• Área Impactada por Fantasmas:

  • Al aplicar el marco de simulación a ~3,100 visitas de la entrega de datos (DRP) semanal de 37 intervalos, la fracción promedio del plano focal significativamente impactada por fantasmas es del 0.57% cuando se promedia en todas las bandas.
  • Este valor está muy por debajo del umbral del 1% del requisito del sistema.
  • Dependencia de la Banda: El impacto varía significativamente según la banda. La banda u muestra el mayor impacto (8%), impulsado por un menor fondo del cielo y una mayor reflectancia del filtro. La banda r (0.2%) y la banda i (<0.1%) muestran un impacto mínimo.
  • Brillo Estelar y Posición: El área impactada depende fuertemente de la magnitud estelar, pero solo débilmente del ángulo fuera de eje de la estrella. Las estrellas más brillantes crean áreas impactadas más grandes.
  • Peores Escenarios: Las visitas seleccionadas visualmente por tener un fantasma severo mostraron áreas impactadas significativamente mayores, confirmando que las visitas individuales con estrellas muy brillantes pueden exceder el promedio significativamente.

• Mediciones de Reflectancia:

  • Las reflectancias medidas para el Filtro (F1, F2) y el Detector (D) concuerdan generalmente con las estimaciones del ~2% utilizadas en las predicciones de rendimiento de ingeniería de sistemas.
  • Los autores señalan que la saturación de la fuente en los datos del CBP podría, teóricamente, llevar a una sobreestimación de las reflectancias (ya que el flujo de la fuente medido sería subestimado). Sin embargo, la concordancia entre los valores medidos y las simulaciones de ingeniería, junto con la consistencia entre los ajustes con y sin máscara, sugiere que el sesgo es pequeño. Por lo tanto, los valores medidos se tratan como límites superiores conservadores.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar un marco validado para evaluar el impacto de los espectros fantasma en los datos de LSSTCam, demostrando el cumplimiento del requisito del sistema LSST de que menos del 1% del área de la imagen sea afectada por fantasmas que superen el umbral de 1/3 del ruido del cielo.

El estudio establece que, si bien los espectros fantasma son una fuente de contaminación no despreciable para la ciencia de baja luminosidad superficial —particularmente en la banda u y en presencia de estrellas muy brillantes—, el impacto general en el sondeo está dentro de los límites aceptables. Además, las mediciones in situ utilizando el CBP validan con éxito los supuestos de reflectancia óptica utilizados en las simulaciones de trazado de rayos, confirmando que las predicciones de ingeniería de sistemas de ~2% de reflectancia son precisas. Esta validación es crucial para la fiabilidad de las futuras evaluaciones de impacto de fantasmas y las evaluaciones de los casos científicos.