Instrumental artifacts in photonic lantern spectroastrometry and their mitigation with PLred

Om het universum in scherp detail te zien, vertrouwen astronomen vaak op een techniek die spectroastrometrie wordt genoemd. Stel je voor dat je de breedte van een verre ster of de kolkende gassen rond een zwart gat probeert te meten. Deze objecten zijn zo ver weg dat zelfs de krachtigste telescopen ze zien als louter lichtpunten, die samensmelten tot één enkele, wazige stip. Spectroastrometrie is een slimme omweg die wetenschappers in staat stelt om in die waas te kijken. In plaats van alleen te meten waar het licht zich bevindt, meet het hoe het centrum van dat licht verschuift naarmate de kleur van het licht verandert. Als verschillende kleuren licht afkomstig zijn van iets andere plaatsen binnen die wazige stip — bijvoorbeeld omdat een schijf van gas ronddraait — dan zal het centrum van het licht heen en weer wiebelen over het spectrum. Door deze minuscule wiebelingen te volgen, kunnen astronomen structuren in kaart brengen die veel kleiner zijn dan de normale limiet van de telescoop, waardoor de verborgen architectuur van het kosmos wordt onthuld.

Deze methode is echter extreem gevoelig voor de instrumenten die worden gebruikt om het licht op te vangen. De instrumenten zelf kunnen valse signalen creëren die precies lijken op echte kosmische beweging, wat leidt ertoe dat wetenschappers patronen zien die er niet zijn. Een team van onderzoekers, onder leiding van Yoo Jung Kim aan de University of California, Los Angeles, pakte onlangs een specifieke versie van dit probleem aan die te maken heeft met een nieuw type instrument genaamd een fotonische lantaarn (photonic lantern). Dit apparaat, getest op de Subaru-telescoop in Hawaï, breekt licht op in vele afzonderlijke kanalen om de positie ervan met extreme precisie te meten. Hoewel deze aanpak sommige oude problemen vermijdt, introduceerde het nieuwe problemen: de manier waarop het instrument het licht leest en de manier waarop de camera het registreert, kunnen beide misleidende signalen creëren. Het team ontwikkelde een nieuw softwaretool, genaamd PLred, om deze fouten te herstellen, om er zeker van te zijn dat de minuscule bewegingen die ze zien echt zijn en niet slechts een glitch in de machine.

De fotonische lantaarn werkt anders dan de traditionele spleten die bij oudere telescopen worden gebruikt. In plaats van een lichtstraal te snijden met een smalle opening, werkt de lantaarn als een glasvezel-splitter die het binnenkomende licht opvangt en verdeelt in negentien afzonderlijke stromen. Elke stroom draagt een deel van de ruimtelijke informatie, en door te vergelijken hoe helder elke stroom is bij verschillende kleuren, kunnen wetenschappers de vorm van het object reconstrueren. Deze methode is krachtig, maar het verandert de aard van de fouten. In het verleden kwamen fouten vaak voort uit de vervorming van de vorm van de lichtstraal zelf. Met de lantaarn komen de fouten voort uit hoe het licht wordt gemeten en geregistreerd. De onderzoekers ontdekten dat als de software die de gegevens uit de camera extraheert niet perfect nauwkeurig is, het licht in één kanaal er iets anders uit kan zien dan het licht in een ander kanaal, zelfs als de bron een enkele, onveranderlijke punt is. Dit creëert een vals signaal dat de beweging van een echt kosmisch object nabootst.

Om dit op te lossen, moest het team nauw kijken naar de camerasensor zelf, een zeer gevoelig apparaat dat bekend staat als een qCMOS-detector. Ze ontdekten dat deze camera vreemd gedrag vertoont wanneer het licht erg zwak is. Bij fel licht telt de camera fotonen nauwkeurig, maar in de lichtarme omstandigheden die nodig zijn om het trillen van de atmosfeer te bevriezen, wordt de camera niet-lineair. Dit betekent dat de camera het aantal fotonen onderschat, en dat hij dit voor elke pixel op de sensor anders doet. Sommige pixels tellen misschien slechts de helft van het licht dat ze ontvangen, terwijl andere bijna al het licht tellen. Wanneer de onderzoekers probeerden de grootte van een ster genaamd Beta CMi te meten, zorgde deze ongelijkmatige telling ervoor dat de ster groter leek dan hij in werkelijkheid was, wat een valse indruk van zijn structuur gaf. Het was alsof de interne inconsistenties van de camera een beeld schilderden van een groter object dan er werkelijk was.

De oplossing bestond uit een zorgvuldig, stapsgewijs proces van kalibratie en correctie. Eerst maakte het team een gedetailleerde kaart van hoe de camera reageert op licht bij elk niveau van helderheid, gebruikmakend van gegevens van flat-field afbeeldingen genomen bij verschillende belichtingstijden. Ze ontdekten dat ze door veel frames te middelen, een wiskundige correctie aan elke pixel konden toepassen, waardoor de camera het ware aantal fotonen rapporteert, zelfs in de meest zwakke omstandigheden. Ze verfijnden ook de manier waarop ze de lichtspectra extraheerden, waarbij ze een forward-modeling benadering gebruikten die rekening hield met de unieke vorm van het lichtpatroon voor elk van de negentien kanalen. Door deze correcties te combineren in een nieuwe, open-source softwarepackage genaamd PLred, waren ze in staat om de kunstmatige signalen weg te strippen.

Het resultaat was een heldere, betrouwbare meting van de ster Beta CMi. Voordat deze correcties werden toegepast, suggereerden de gegevens dat de ster een grote, uitgebreide structuur had, maar nadat de instrumentale artefacten waren verwijderd, werden de verhoogde grootheidssignalen over de Hα-lijn aanzienlijk verminderd. Het team toonde aan dat ze een precisie van 50 microboogseconden konden bereiken, een nauwkeurigheidsniveau dat astronomen in staat stelt om details te resolveren op schalen die voorheen vanaf de grond onmogelijk werden geacht. Dit werk lost niet alleen één observatie op; het vestigt een nieuwe standaard voor hoe gegevens van fotonische lantaarns behandeld moeten worden. Door de subtiele eigenaardigheden van de detector en het extractieproces te begrijpen en te corrigeren, hebben de onderzoekers de weg vrijgemaakt voor toekomstige instrumenten om de kleinste, meest verre hoeken van het universum met vertrouwen te verkennen, in de wetenschap dat wat ze zien het universum zelf is, en niet de schaduw van hun eigen instrumenten.