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Libralato, Mattia (2016) Astrometry and photometry with wide-field imagers. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Several projects in astronomy require detectors with a high number of resolution elements on the sky. For this reason, many observatories equipped their telescopes with a particular kind of detectors, the so-called wide-field imagers, that fulfil this requirement. In this thesis we show that, with a careful data analysis based on an accurate point-spread-function (PSF) modelling and geometric-distortion correction, it is possible to obtain high astrometric and photometric accuracy over wide field of views (FoVs). The prescriptions discussed in the thesis can be extended to the most of the detectors that are or will be placed at ground and space observatories.
In the first part of the thesis, we mainly focus on detectors working in the near-infrared (NIR) regime. We want to concentrate on NIR imaging because of the increasing interest of the astronomical community for this wavelength range, which will be the baseline for JWST. In the second part of the thesis we also present a couple of applications to optical wide-field imagers (LBC@LBT and the CCD mounted at the Asiago Schmidt telescope).
We start by investigating the astrometric and photometric performance of the NIR wide-field imager HAWK-I@VLT. We adapt to HAWK-I the techniques originally developed for the Hubble Space Telescope (HST) imagers to obtain high-precision astrometry and photometry, and then adapted to the ground-based, wide-field imager mounted at the 2.2-m MPI/ESO telescope. We accurately model HAWK-I PSFs and solve for the geometric distortion of the detector. With this careful data reduction, we are able to reach an astrometric accuracy of a few milliarcsec (mas) over the entire FoV of the instrument. Together with the distortion-correction package, we also create astro-photometric catalogues of seven fields (four stellar clusters, two extragalactic fields and one region toward the Galactic centre). Furthermore, to test the reached astrometric accuracy, we compute relative proper motions for stars in two globular clusters (M 22 and M 4) and successfully separate cluster members from background/foreground objects. Proper-motion-selected colour-magnitude diagrams of the globular cluster M 22 allow us to study its multiple stellar populations, finding that the two stellar populations hosted in the sub-giant branches of M 22 have the same radial distribution from the cluster centre out to 9 arcmin, within our uncertainty.
We then move to the wide-field imager VIRCAM@VISTA. Again, we export the tools made for HAWK-I to this imager and solve for the distortion of the detector. The geometric-distortion correction of VIRCAM is quite challenging because the tangential-plane projection effects are not negligible over a FoV larger than 1 sq. deg on the sky. We start by using the 2MASS catalogue as reference frame, and then we auto-calibrate the geometric distortion as done for the HAWK-I detector. This way, we are able to correct the geometric distortion of VIRCAM to an astrometric accuracy of about 8 mas. Finally, we use the `VISTA Variables in the Vía Láctea' (VVV) data to compute M 22 globular-cluster relative proper motions. VVV observations are not designed to such high-astrometric-accuracy purposes, but, with our tools, we are able to reach a proper-motion precision of ~1.4 mas/yr and separate cluster and field stars, as well as to measure the motion difference between Galactic bulge and disc stars toward the direction of M 22.
In the last part of the thesis we describe our new project, focused to exploit the data coming from the planet-hunting K2 mission, the re-designed Kepler mission after the problems that occurred to its spacecraft. The analysis of crowded environments using K2 data can be very complex with classical (aperture-based) photometric approaches. Our method is instead specifically developed to deal with these particular regions (stellar clusters and toward the Galactic centre) and its key ingredients are PSF astrometry and photometry, high-angular-resolution input catalogues and PSF-based neighbour subtraction.
We first address the problem of the K2 undersampled PSFs which fine structures, if not properly modelled, can introduce systematic errors that worsen both astrometry and photometry. To this aim, we follow the iterative method made to model HST undersampled PSFs. We then use a high-angular-resolution, ground-based catalogue to identify all detectable objects in the field and, for each of them, we measure their flux after we subtract all close-by neighbours. This way, we increase the number of measurable sources in the field and obtain a more reliable estimate of their flux. Most importantly, for variable stars, eclipsing binaries and exoplanet candidates, this method leads to a more reliable value of the true amplitude or eclipse/transit depth of their light curves because we reduce light-dilution effects. This is particularly interesting for exoplanets, as the true radius of the transiting objects would be otherwise under-estimated.
We apply this method to the first K2 Campaign that covered two open clusters (M 35 and NGC 2158) and extract about 50000 light curves from only one channel of K2. This number is more than two times the total number of sources usually analysed over the entire FoV (76 channels) in a typical K2 Campaign. For bright stars, we reach a photometric precision of ~30 parts per million, comparable with other works in the literature focused on isolated stars. At the faint end, we measure objects down to 5 magnitudes fainter than in any published work with K2 data so far, and show that the PSF photometry performs better than aperture photometry in this magnitude regime. The improvement here described is more significant in crowded regions. Within the field of these two clusters we also find more than 2000 variable stars.
All the projects developed during this thesis have also interesting long-term perspectives, since they can be seen as complementary or in preparation to future space-based missions like TESS and PLATO. Candidate exoplanets from Kepler/K2 (but also from the forthcoming TESS) observations can potentially be interesting targets for JWST, and then E-ELT

Abstract (italian)

Diversi progetti in astronomia richiedono rivelatori con un elevato numero di elementi risolutivi in cielo. Per questo motivo, molti osservatori hanno equipaggiato i loro telescopi con un particolare tipo di rivelatori, i cosiddetti rivelatori a grande campo, che soddisfano tale requisito. In questa tesi mostriamo come sia possibile ottenere astrometria e fotometria di elevata accuratezza su grandi campi con un'attenta analisi dei dati basata sul modellare accuratamente le funzioni di sorgenti puntiformi (dall'inglese point-spread functions, o PSFs) e sulla correzione della distorsione geometrica. Le metodologie di lavoro discusse in questa tesi possono essere estese alla maggior parte dei rivelatori che sono o verranno collocati in osservatori da terra e da spazio.
Nella prima parte della tesi ci focalizziamo principalmente sui rivelatori che lavorano nel regime del vicino infrarosso. Vogliamo concentrarci su tali camere infrarosse a causa del crescente interesse della comunità astronomica a queste lunghezze d'onda, che saranno alla base di JWST. Tuttavia nella seconda parte della tesi presentiamo anche alcuni esempi di applicazioni con rivelatori a grande campo che lavorano nella parte ottica dello spettro elettromagnetico (la camera LBC montata al telescopio LBT e il rivelatore montato al telescopio Schmidt di Asiago).
Inizialmente esaminiamo le prestazioni astrometriche e fotometriche del rivelatore infrarosso a grande campo HAWK-I montato al VLT. Adattiamo per i dati HAWK-I le tecniche originariamente sviluppate per ottenere astrometria e fotometria di alta precisione con le camere di Hubble Space Telescope (HST), e successivamente estese alla camera a grande campo posta al telescopio da terra di 2.2 m dell'ESO/MPI. Modelliamo accuratamente le PSFs e correggiamo la distorsione geometrica di HAWK-I. Con questa attenta analisi dei dati, riusciamo a raggiungere un'accuratezza astrometrica di qualche millesimo di arcosecondo (mas) su tutto il campo di vista dello strumento. Oltre alla correzione della distorsione, costruiamo anche cataloghi astro-fotometrici di sette campi (quattro ammassi stellari, due campi extragalattici e un campo in direzione del centro Galattico). Inoltre, per testare l'accuratezza astrometrica raggiunta, calcoliamo i moti propri relativi delle stelle in due ammassi globulari (M 22 e M 4) e separiamo con successo i membri di ammasso da quelli di campo. Diagrammi colore-magnitudine decontaminati dalle stelle di campo grazie ai moti propri ci permettono di studiare le popolazioni stellari multiple dell'ammasso M 22, e di trovare che le due popolazioni visibili nei rami delle sub-giganti di M 22 hanno, entro gli errori delle nostre misure, la stessa distribuzione radiale dal centro dell'ammasso fino a 9 arcominuti.
Successivamente ci spostiamo sul rivelatore VIRCAM montato al telescopio VISTA. Adattiamo nuovamente per questa camera i programmi sviluppati per HAWK-I e correggiamo la distorsione geometrica. La correzione della distorsione si è rivelata ardua perché su campi di vista estesi più di un 1 grado quadrato in cielo gli effetti dovuti alla proiezione della sfera celeste sul piano tangente di un'immagine non sono trascurabili. Per questo motivo, usiamo inizialmente come riferimento il catalogo 2MASS e poi auto-calibriamo la distorsione come fatto per HAWK-I. In questo modo siamo in grado di correggere la distorsione di VIRCAM e di raggiungere un'accuratezza astrometrica di circa 8 mas. Infine usiamo i dati provenienti dalle osservazioni di `VISTA Variables in the Vía Láctea' (VVV) per calcolare i moti propri delle stelle dell'ammasso globulare M 22. Le osservazioni di VVV non sono concepite per conseguire progetti basati su un'elevata accuratezza astrometrica, ma con i nostri strumenti raggiungiamo una precisione nei moti propri dell'ordine di 1.4 mas/yr, separiamo le stelle di campo da quelle di ammasso, ed inoltre misuriamo la differenza tra il moto proprio delle stelle del Bulge e del Disco della nostra Galassia nella direzione di M 22.
Nell'ultima parte della tesi descriviamo il progetto focalizzato nello sfruttare i dati dal cacciatore di pianeti K2, il successore della missione Kepler, ridisegnata dopo i vari problemi in cui è incorsa. L'analisi di ambienti ad alta densità stellare usando i dati K2 può risultare molto complessa con le classiche tecniche fotometriche (basate sulla fotometria di apertura). Il nostro metodo invece è stato specificatamente elaborato per analizzare queste regioni (ammassi stellari e nella direzione del centro Galattico) e i suoi elementi chiave sono astrometria e fotometria di PSF, cataloghi ad alta risoluzione angolare e sottrazione delle stelle vicine tramite l'utilizzo della PSF.
Inizialmente affrontiamo il problema delle PSFs sottocampionate di K2 le cui strutture su piccola scala, se non correttamente modellate, possono introdurre errori sistematici che peggiorano l'astrometria e la fotometria. Per questo scopo, seguiamo il metodo iterativo progettato per modellare le PSFs sottocampionate di HST. Successivamente utilizziamo un catalogo ad alta risoluzione angolare, ottenuto con telescopi da terra, per identificare tutte le sorgenti rilevabili nel campo e, per ciascuna di esse, misuriamo il flusso dopo aver sottratto tutte le stelle vicine. In questo modo aumentiamo il numero di sorgenti analizzabili nel campo e otteniamo una stima più veritiera del loro flusso. In particolare per stelle variabili, binarie ad eclissi ed esopianeti questo metodo permette di ottenere un valore più realistico della vera ampiezza o profondità dell'eclissi/transito della loro curva di luce poiché diminuiamo gli effetti di diluizione della luce. Questo risvolto è particolarmente importante per gli esopianeti perché altrimenti il vero raggio del pianeta verrebbe sottostimato.
Applichiamo questo metodo alla prima campagna osservativa della missione K2 in cui sono stati osservati due ammassi aperti (M 35 e NGC 2158) ed estraiamo le curve di luce di più di 50000 oggetti da un solo canale di lettura di una delle camere K2. Questo numero è più del doppio del numero di oggetti normalmente analizzati in tutto il campo di vista di K2 (76 canali) in una data campagna osservativa. Per le stelle brillanti raggiungiamo una precisione fotometrica di circa 30 parti per milione, un valore confrontabile con quanto si può trovare in altri lavori in letteratura su stelle isolate. Inoltre riusciamo ad estendere la nostra analisi a stelle fino a 5 magnitudini più deboli di quanto studiato in lavori già pubblicati, e mostriamo che per questi oggetti deboli la fotometria di PSF è migliore di quella di apertura. Tale miglioramento è maggiori nei campi a più alta densità stellare. Infine troviamo più di 2000 stelle variabili in questi due ammassi.
Tutti i progetti sviluppati in questa tesi hanno anche interessanti prospettive a lungo termine in quanto possono essere visti come complementari o in preparazione a missioni da spazio future come TESS e PLATO. I candidati pianeti trovati con le osservazioni di Kepler/K2 (ma anche dell'imminente TESS) possono potenzialmente essere target interessanti per JWST, e successivamente per E-ELT

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Piotto, Giampaolo
Supervisor:Bedin, Luigi and Bellini, Andrea
Ph.D. course:Ciclo 28 > Scuole 28 > ASTRONOMIA
Data di deposito della tesi:31 January 2016
Anno di Pubblicazione:31 January 2016
Key Words:astrometry, photometry, stellar clusters, near infrared, wide-field imagers
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:9489
Depositato il:07 Oct 2016 13:10
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