The Effect of "Roll-Drift" in ACS/WFC Images

Titel: Het effect van "Roll-Drift" in ACS/WFC-beelden

Auteur: Yotam Cohen
Datum: 25 april 2025
Instrument: Advanced Camera for Surveys (ACS), Wide Field Channel (WFC) op de Hubble-ruimtetelescoop (HST).

1. Het Probleem

Sinds juni 2024 is de Hubble-ruimtetelescoop overgeschakeld naar de Reduced Gyro Mode (RGM) vanwege operationele beperkingen. Een onvoorziene consequentie van deze modus is een toegenomen frequentie van Loss of Lock (LoL)-gebeurtenissen.

• Mechanisme: Tijdens een LoL-gebeurtenis verliest de telescoop de precieze geleiding, waardoor de puntinstelling lichtjes afwijkt tijdens de integratie (blootstelling).
• Gevolg: Dit veroorzaakt een "roll-drift", waarbij het licht van het doelveld in het uiteindelijke beeld wordt uitgesmeerd (smearing), wat de datakwaliteit en bruikbaarheid vermindert.
• Specifiek risico: Hoewel het observatoriumsysteem LoL-gebeurtenissen normaal gesproken detecteert en flagt, treden er steeds vaker niet-gedeclareerde (undeclared) LoL-gebeurtenissen op. Deze worden niet automatisch gemarkeerd, waardoor gebruikers onwetend zijn over de degradatie van hun data.

2. Methodologie

Het ACS-team heeft een onderzoek uitgevoerd om de impact van roll-drift te kwantificeren en een methode te ontwikkelen om deze automatisch te detecteren. De aanpak bestond uit drie hoofdfasen:

• Simulatie van Roll-Drift:

  • Er werd uitgegaan van een echte, archief-ACS/WFC 'flc'-afbeelding die niet door roll-drift was beïnvloed.
  • Met behulp van de scipy.ndimage.shift module werd de afbeelding stapsgewijs verschoven (bijv. in stappen van 0,1 pixel) tot een maximale verplaatsing (bijv. 5 pixel).
  • Om het fysieke effect van het uitsmeren van licht tijdens de blootstelling te simuleren, werden voor elke totale verplaatsing alle voorgaande verschoven beelden gemiddeld. Dit resulteerde in een synthetische "roll-drifted" afbeelding.
  • De richting van de drift was willekeurig, maar voor dit onderzoek werden gelijke componenten in de x- en y-richting gebruikt.

• Fotometrie met PSF-fitting (hst1pass):

  • Op zowel de originele als de gesimuleerde beelden werd de software hst1pass (Anderson 2022) uitgevoerd voor Point Spread Function (PSF)-fitting fotometrie.
  • De focusniveau werd ingesteld als een vrij parameter om de code toe te staan het beste mogelijke PSF-model te vinden voor de uitgesmeerde sterren (een "best case scenario").

• Analyse van Diagnostische Parameters:

  • De belangrijkste parameter voor analyse was qfit (of q). Deze waarde meet hoe goed het PSF-model past bij een specifieke bron.
  • Voor goed gemeten sterren zonder drift wordt een qfit van ongeveer 0,02–0,04 verwacht. Waarden rond 0,2 of hoger duiden op slecht passende sterren, en waarden dichter bij 1,0 wijzen vaak op opgeloste bronnen of kosmische straling.

3. Belangrijkste Resultaten

De analyse leverde de volgende inzichten op over de relatie tussen de hoeveelheid roll-drift en de meetbare parameters:

• Relatie tussen Drift en qfit: Er is een duidelijke stijgende trend waargenomen: naarmate de roll-drift toeneemt, neemt de qfit-waarde toe. Dit komt doordat het licht van de sterren meer wordt uitgesmeerd, waardoor het PSF-model minder goed past.
• Focus-niveau: Het berekende focusniveau neemt toe bij kleine drifts (0 tot ~0,6 pixel), omdat de code langere, meer uitgerekte PSF-modellen moet gebruiken om de sterren te fiten.
• De Drempelwaarde:
  • Bij een roll-drift van ongeveer 1 pixel overschrijdt de qfit-waarde de drempel van ~0,2.
  • Boven deze drempel faalt de PSF-fitting en wordt de fotometrie onbetrouwbaar.
• Het "Grijze Gebied" (0,1 tot 0,4 pixel):
  • Voor kleine hoeveelheden roll-drift (tussen 0,1 en 0,4 pixel) vallen de qfit-waarden binnen het bereik van "normale" beelden (die geen drift hebben).
  • Visueel zijn deze kleine drifts nauwelijks waarneembaar in statische beelden.
  • Risico: Hoewel deze data mogelijk nog bruikbaar is voor sommige toepassingen, kan het de nauwkeurigheid van hoogprecisie-wetenschappelijke metingen beïnvloeden zonder dat er duidelijke waarschuwingssignalen zijn.

4. Bijdragen en Aanbevelingen

Op basis van deze bevindingen heeft het ACS-team de volgende maatregelen genomen en aanbevelingen gedaan:

• Geautomatiseerde Monitoring: Het ACS-team heeft een geautomatiseerde routine opgezet die hst1pass uitvoert op alle nieuwe ACS/WFC-data direct na de opname.
• Dagelijkse Rapportage: De qfit-waarden worden getabuleerd en dagelijks per e-mail doorgestuurd naar het team.
• Manuele Inspectie: Het team inspecteert handmatig nieuwe blootstellingen met verdachte qfit-waarden op tekenen van roll-drift.
• Aanbeveling aan Gebruikers: Gebruikers van data verzameld na de overstap naar RGM wordt aangeraden:
  1. Zelf hst1pass uit te voeren op hun data.
  2. De qfit-waarden te controleren (waarde > 0,2 is een waarschuwing).
  3. Visuele inspectie toe te passen.
  4. Bij twijfel contact op te nemen met de STScI Help Desk.

5. Significatie

Dit rapport is cruciaal voor de wetenschappelijke gemeenschap die HST-data gebruikt, omdat het:

1. Een kwantitatieve drempelwaarde (qfit > 0,2) biedt om data die waarschijnlijk door roll-drift is aangetast, te identificeren.
2. Inzicht geeft in een subtiel probleem waarbij kleine drifts onopgemerkt kunnen blijven, maar toch de datakwaliteit kunnen compromitteren.
3. Een proactieve strategie biedt om datakwaliteit te bewaken in de nieuwe operationele modus (RGM) van de Hubble-ruimtetelescoop, waardoor tijd en middelen worden bespaard door het vroegtijdig detecteren van defecte data.