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

Resumo Técnico: ISR 2024-15 – Distorção Geométrica da WFC3/UVIS: Evolução Temporal dos Termos Lineares em relação à Gaia

Definição do Problema
A modelagem precisa da distorção geométrica é crítica para a Wide Field Camera 3 (WFC3) no Telescópio Espacial Hubble (HST) para derivar coordenadas celestes, paralaxes e movimentos próprios precisos. Embora a solução de distorção atual (armazenada nos arquivos de referência IDCTAB, NPOLFILE e D2IMFILE) utilize um polinômio de 4ª ordem e tabelas de busca não polinomiais, a estabilidade de seus termos lineares (deslocamento, rotação, escala e inclinação/skew) ao longo do tempo não havia sido avaliada de forma abrangente contra o catálogo de alta precisão Gaia DR3 ao longo de todo o período operacional do instrumento. Evoluções temporais significativas nesses termos lineares poderiam levar ao borrão de fontes e a uma astrometria imprecisa ao combinar conjuntos de dados de múltiplos épocas via drizzling. Estudos anteriores foram limitados por amostras pequenas ou pela dependência de um único alvo ($\omega$ Centauri) que carecia de fidelidade suficiente nas liberações anteriores da Gaia.

Metodologia
Os autores analisaram um conjunto de dados de 7.491 exposições de quadro total (full-frame) da WFC3/UVIS coletadas entre 2009 e 2022 em cinco filtros de banda larga (F275W, F336W, F438W, F606W e F814W). A metodologia envolveu:

1. Detecção de Fontes: Execução dos arquivos FLC individuais através da rotina hst1pass para gerar catálogos de fontes de alta precisão com posições de pixels e magnitudes.
2. Correspondência de Referência: Consulta ao catálogo Gaia DR3 para fontes dentro das pegadas das imagens, corrigindo as posições da Gaia para o movimento próprio na época da observação.
3. Alinhamento: Uso da rotina tweakwcs (e tweakreg) para alinhar os catálogos da WFC3/UVIS à referência Gaia. Este processo emprega o algoritmo XYXYMatch para cruzar fontes e calcula transformações afins (deslocamento, rotação, escala, inclinação) para minimizar resíduos em um plano tangente.
4. Análise: Comparação dos parâmetros de transformação linear derivados do WCS alinhado com a Gaia contra o WCS inicial gerado pelo IDCTAB padrão. Os autores calcularam as diferenças (ou razões para escala) para determinar o erro nos arquivos de referência.
5. Filtragem: As imagens foram filtradas para incluir apenas aquelas com um erro RMS (RMSE) inferior a 0,2 pixels e pelo menos 50 fontes correspondentes. O sigma clipping foi aplicado para remover valores discrepantes (outliers) antes da aplicação de ajustes de tendência linear ao longo do tempo.

Principais Contribuições

• Análise Temporal em Larga Escala: Este estudo fornece a primeira avaliação abrangente dos termos de distorção linear da WFC3/UVIS usando uma linha de base de 13 anos utilizando uma amostra diversificada de quase 7.500 imagens, em vez de depender de um único alvo.
• Quantificação de Deslocamentos Dependentes de Filtro: O trabalho identifica e quantifica deslocamentos sistemáticos e dependentes de filtro no termo de escala que não são contabilizados no modelo de distorção de arquivo de referência único atual.
• Recomendações Operacionais: O relatório fornece orientações específicas e acionáveis para observadores e processamento de pipeline em relação à necessidade de realinhamento de imagens e às geometrias de ajuste específicas exigidas para astrometria de alta precisão.

Resultos
A análise revela que, embora os termos lineares exibam uma pequena evolução temporal, essas mudanças são geralmente dominadas pelo scatter intrínseco e incertezas de apontamento, em vez de um desvio suave e determinístico.

• Deslocamento (Shift): Os termos de deslocamento mostram um scatter significativo (RMS $\approx$ 5 pixels), atribuído em grande parte às incertezas no apontamento do telescópio e nas coordenadas do Guide Star Catalog (GSC). A inclinação temporal é pequena (0,17 pixels/ano em X, -0,27 pixels/ano em Y).
• Rotação: Um pequeno deslocamento estável de $0,003 \pm 0,004$ graus foi observado entre 2009 e meados de 2017. De meados de 2017 a 2022, os deslocamentos aumentaram para até 0,01 graus com grande scatter, correlacionando-se com um período de aumento no jitter de apontamento do HST. A inclinação linear é desprezível (-0,00011 graus/ano).
• Escala: Uma pequena evolução temporal de aproximadamente 0,15–0,2 pixels ao longo de 13 anos foi detectada. No entanto, uma descoberta mais significativa é um deslocamento dependente de filtro no termo de escala, com uma diferença máxima de 0,3 pixels entre os filtros F275W e F814W em todas as épocas. Isso sugere que o IDCTAB atual não contabiliza totalmente as distorções geométricas específicas de cada filtro.
• Inclinação (Skew): O termo de inclinação evolui em aproximadamente 0,2 $\pm$ 0,3 pixels ao longo de 13 anos. A mudança temporal é geralmente menor ou comparável ao scatter RMS, e nenhum deslocamento dependente de filtro foi encontrado de forma clara.

Significância e Recomendações
O artigo conclui que a evolução dependente do tempo dos termos de distorção linear é geralmente pequena em comparação com a incerteza no apontamento e o scatter intrínseco das medições. No entanto, a presença de deslocamentos de escala dependentes de filtro e o grande scatter nos termos de rotação/deslocamento exige correção ativa pelo usuário.

Os autores recomendam que os observadores:

1. Realinhem as Imagens: Utilizem a rotina tweakreg no DrizzlePac para realinhar as imagens FLT/FLC.
2. Ajustem a Geometria Adequada:
   • Para alinhamento padrão, utilizem um ajuste de 4 parâmetros (fitgeometry='rscale') incluindo deslocamento, rotação e escala.
   • Para astrometria de alta precisão em longas linhas de base, utilizem um ajuste de 6 parâmetros (fitgeometry='general') para também considerar a inclinação (skew) e escalas independentes de x/y.
3. Verifiquem o Processamento do MAST: Verifiquem a palavra-chave NMATCHES nos produtos de pipeline do MAST. Se menos de 20 correspondências com a Gaia foram utilizadas, os usuários devem considerar resetar o WCS para a solução "a priori" e realizar o realinhamento manual.

O relatório enfatiza que, embora o pipeline do MAST realize uma etapa de alinhamento, a intervenção manual usando as geometias de ajuste recomendadas é frequentemente necessária para alcançar a maior precisão, particularmente ao combinar dados de diferentes filtros ou épocas. Trabalhos futuros investigarão a implementação de soluções de distorção dependentes do tempo e correções de escala globais no IDCTAB.