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Mid-infrared Astronomy With T Recs: Theory With T

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MID‐INFRARED ASTRONOMY  WITH T RECS: THEORY   WITH T‐RECS: THEORY,  TECHNIQUES, AND DATA James Radomski Gemini South Observatory UFGRS March 19, 2009 Acknowledgments Gemini North (MICHELLE) • • • • Kevin Volk Rachel Mason Tom Geballe R  Scott Fisher R. Scott Fisher Gemini South (T-ReCS) James Radomski Michelle Edwards Fredrik Rantakyro T  H Tom Hayward d Also Thanks to Chris Packham (UF) and Jim De Buizer (SOFIA) Mid‐IR Astronomy id (See Mid‐IR Resources (See d esou es o on Gemini web page) Ge e page) Why Mid‐ Why Mid‐IR Astronomy? Mid-IR Mid IR (8 (8-25 25µm) suffers 25 25-75X 75X less extinction than optical and traces many features including: • Dust re re--radiation •Fine structure Lines ([ArIII ([ ArIII], ], [SIV], [Ne II II]] • Silicate emission/absorption • PAH features Image Courtesy Charles Telesco The Atmosphere •Strongly affected by WV and clouds (water emits AND absorbs mid-IR pphotons)) •Overwhelmed by emission from the sky and telescope (Background limited regime S/N~sqrt(time)) •Not affected by Moon (or Sun ☺) MIR Seeing Seeing and N and Q band much more stable  S i   d N  d Q b d  h    bl   than visible λ (~1/2 of visible) Typically obtain images ~0.35” at N,  ll b diffraction limited at Q (~0.5”) In good seeing and telescope image quality,  2‐3 Airy rings around a point source can be  observed b d Chopping & Nodding T‐ReCS Source Frame (typically can’t see object  due to background) Off‐source beam unguided (small affect of 15% in  S/N) Chopping & Nodding Redux T‐ReCS data structure 6 dimensional fits [320, 240, 2, S, 2, N] Why do we chop & Nod? “Because of the sky  Because of the sky  variation, of course!” Time variable sky  Time‐variable sky  background Telescope thermal  emission So‐called 1/f detector  noise i Image Courtesy of TIMMI2 team Array Noise Inputs Note the closed cycle  cooler noise For T‐ReCS it’s ~1.2Hz Note well the 1/f noise For T‐ReCS F  T R CS this  thi   necessitates chopping  to avoid resonance  with  this frequency The chop freq enc is frequency (typically) determined by the 1/f noise of the array T‐ReCS (Thermal Region Camera Spectrometer) T‐ReCS Imaging - Filters •320 x 240 pixels •Pixel size = 0.089" (fixed) •Field Fi ld off view i = 28.8"×21.6“ 28 8" 21 6“ •Diff. Limit ~0.3” (10um) S t Spectroscopy - Modes M d •R~ 100 (Low) •R R~1000 1000 (Med) T ReCS T‐ReCS Almost all data taken in chop nod mode Almost all data taken in chop‐nod mode T‐ReCS can only nod ABAB:ABAB:… Only guide in one beam, (off source beam unguided) Only guide in one beam, (off‐source beam unguided) Chop  and Nod Throw ~15” (hope to improve to 30”) T‐ReCS T ReCS Exposure Times 4 “exposure” times  “ ” ti Frame time – optimized in software (typical is 25 ms) Saveset time – time  optimized in software, (default is 10 s) optimized in software  (default is 10 s) Nod Time – optimized in software (~40 sec) Total exposure time – user selected, tweaked in  Total exposure time  software (300 sec ~ 317.0874 sec) Total exposure time is defined parameter Clock time takes account of efficiency losses  (factor of  3~4) 6   f  60s of exposure time is ~200s of clock time   i  i     f  l k  i Filter Selection Need to consider Sensitivityy Diffraction limit Source color N‐band  very wide good for  detection (but other problems) Qa best for 20um imaging Si2  best combination of  resolution and sensitivity Si5 great for highly reddened  objects Si1 & all Q band filters are  highly dependant on water  vapor Si3 & Si4 strongly affected by  O3 T-ReCS Sensitivity ii i Imaging  i C lib ti Calibration Calibration (Imaging) Flux standard u sta da d ~15% uncertainty typical PSF standard May need to take separate flux and PSF  standard as Flux standard too bright or radically different flux to  object Flux standard could to too distant from object Change of gravity vector to telescope can significantly  affect delivered PSF Large telescope slew forces large pupil rotation Flux Standard (Imaging) Fl   Flux standards are often drawn from d d     f  d  f ‘Cohen’ standards TIMMI /MIRAC li TIMMI2/MIRAC lists Flux calibration u ca b at o in mid‐IR (for imaging) relatively simple d (o ag g) e at e y s p e Aperture on star to determine ADU’s Ratio by flux of star in mJy (cal value 10um ~0.02, 18um ~0.2) Final image in mJy/pixel g Cohen Standards (Imaging) Cohen has modeled a continuous spectra of  many stars carefully tied to observational data Spectra can be used for imaging [and  spectroscopic flux calibration] by integrating  over the filter’s bandpass [or smoothing to the  appropriate resolution] i   l i ] Best reference is Cohen et al. 1999, AJ, 117, 1864 C lib ti   h d t  t   i Calibration anchored to two primary standards   t d d Alpha Lyr (AO V) Alpha CMa (A1 V) Flux Standard Selection (Imaging) ( g g) Gemini has a tool  to facilitate this  search PSF Calibration (Imaging) Some flux standards can also be used for PSF  calibration Often not the case as flux standards are too bright Best PSF standards are stars of spectral type K or M  giants (<10 deg from source if possible) M supergiants should be avoided due to possible extended  dust shell emission Hi Hipparcos provides ideal catalogue for PSF searches id  id l  t l  f  PSF  h Stars that are very bright should be avoided due to  array effects Spectroscopy  C lib ti Calibration Calibration (Spectroscopy) C  b     Can be a star or asteroid     id Asteroids preferable if in high spectral resolution  as stars can show resolvable spectral details at hi‐ show resolvable spectral details at hi res Stars preferable at low res as can be used as flux  Stars preferable at low‐res as can be used as flux  calibrators Telluric Standards (Spectra) For object observations lasting longer than  ~30 minutes (2hrs clock time), Gemini  suggest two standards, prior and post  observing For Gemini in queue mode, both are ‘free’ At low resolution, B, A, F and G stars have a  smooth spectrum in MIR region Early K maybe O.K., but Late K and M stars should  be avoided Gemini List of B‐G stars [not well flux calibrated] http://www.gemini.edu/sciops/instruments/mir/MIRSpecStdBAFG.html Cohen Standards (Spectra) Many Cohen spectrophotometic standards are early K  dwarfs  Fine for  Low‐Res spectra but not High‐res mode Many have accurate IRAS mid‐infrared flux densities, making  them potentially decent spectrophotometric calibrators Providing telluric line removal and flux calibration At low resolution the fundamental vibration‐rotation band of  SiO significantly depresses the spectrum at 7.5 significantly depresses the spectrum at 7 5‐10 microns in  10 microns in  stars later than K0III ‐ K2III Affects ratio’ing Can use Cohen model template specta p p to correct effect Accounted for by Gemini IRAF spectral reduction task msabsflux,  which can also be called from within msreduce Other  h C lib ti Calibration Airmass Correction Airmass calibration difficult due to rapid changes in Sk Sky transmission Sky emission Flux calibrators should be at similar airmass to  source If long source observation and high photometric  required, may want to have pre‐ and post‐flux standard  observations where pre‐ has RA Airmass correction that is analogous to NIR world is  unusual due to intrinsic photometric uncertainty Seeing Changes vs. time (&  g g ( airmass) (Radomski et al. 2008) ( ) Diffraction & Temperature  Effects Flat Fielding When chopping, flats, biases, bad pixel masks  Wh   h i  fl t  bi  b d  i l  k   are not needed Act of chopping and fullness of pixel wells  effectively removes need to flat field as  multiplictive gain change across array minimal  and  ell acco nted b  chopping and well accounted by chopping Bias is removed through chopping process Array has very few (~2) bad pixels Array has very few ( 2) bad pixels, therefore bad   therefore bad  pixel masks irrelevant DATA DATA Reduction IRAF/IDL The Gemini supported IRAF DR package is  Th  G i i  t d IRAF DR  k  i   the official one Other methods possible include IDL (meftools provided by Jim De Buizer) IRAF DR provided and continually supported  p y pp by Gemini Will be evolved to pyraf IRAF Tasks TBACKGROUND C G O TPREPARE TVIEW MISTACK or MIREGISTER IDL Tasks MEFHEAD MEFGET Or in one command,  MEFREDUCE Or in one command,  MIREDUCE Other tasks for removing noise miclean.cl miclean cl (IRAF), noise_mask (IDL) T‐ReCS T ReCS Source Image T ReCS Bright Object T‐ReCS Bright Object T ReCS Chop Correction T‐ReCS Chop Correction T‐ReCS Chop Correction: T ReCS Chop Correction: With Cross‐Talk T ReCS Spectra: Object T‐ReCS Spectra: Object T ReCS Spectra: Sky T‐ReCS Spectra: Sky T ReCS Spectra: Object T‐ReCS Spectra: Object Typical Noise (OK) Telescope NOD (Dif1, Dif 2) Window (Src1, Src2) Crosstalk (Any) Typical Noise (BAD) Clouds (Sig) High Frequency Striping (Any) Chop elongation (Any) Questions?