Verification and science simulations with the Instrument Performance Simulator for JWST - NIRSpec

par Bernhard Dorner

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Bruno Guiderdoni.

Soutenue le 10-05-2012

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (équipe de recherche) .

  • Titre traduit

    Vérification et simulations scientifiques avec le simulateur des performances de l’instrument JWST - NIRSpec


  • Résumé

    Le télescope spatial James Webb (JWST) est le successeur du télescope spatial Hubble (HST). Il est développé en collaboration par les agences spatiales NASA, ESA et CSA. Le spectrographe proche infrarouge NIRSpec est un instrument du JWST. Le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) a développé le logiciel de simulation des performances (IPS) de NIRSpec en vue de l’étude de ses performances et de la préparation de poses synthétiques réalistes. Dans cette thèse, nous vérifions certains algorithmes de l’IPS, en particulier ceux traitant des transformations de coordonnées et de la propagation en optique de Fourier. Nous présentons ensuite une interface simplifiée pour la préparation de « scènes » d’observation et un logiciel de traitement de données permettant d’extraire des spectres à partir de poses synthétiques afin de faciliter l’exploitation des simulations. Nous décrivons comment nous avons construit et validé le modèle de l’instrument par comparaison avec les données de calibration. Pour les transformations de coordonnées, le modèle final est capable de reproduire les mesures avec une précision 3 à 5 fois meilleure que celle requise pour la calibration spectrale. Pour la transmission globale notre précision est de 0–10% dans l’absolu et meilleure que 5% en relatif. Finalement, nous présentons la première simulation d’une observation de type « champ profond spectrographique » et nous explorons comment NIRSpec pourra être utilisé pour observer le transit de planètes extra-solaires. Nous déterminons en particulier la luminosité maximale des étoiles hôtes pouvant être observées et quels peuvent être les rapports signal sur bruit attendus.


  • Résumé

    The James Webb Space Telescope (JWST), a joint project by NASA, ESA, and CSA, is the successor mission to the Hubble Space Telescope. One of the four science instruments on board is the near-infrared spectrograph NIRSpec. To study the instrument performance and to create realistic science exposures, the Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) developed the Instrument Performance Simulator (IPS) software. Validating the IPS functionality, creating an accurate model of the instrument, and facilitating the preparation and analysis of simulations are key elements for the success of the IPS. In this context, we verified parts of the IPS algorithms, specifically the coordinate transform formalism, and the Fourier propagation module. We also developed additional software tools to simplify the scientific usage, as a target interface to construct observation scenes, and a dedicated data reduction pipeline to extract spectra from exposures. Another part of the PhD work dealt with the assembly of an as-built instrument model, and its verification with measurements from a ground calibration campaign. For coordinate transforms inside the instrument, we achieved an accuracy of 3–5 times better than the required absolute spectral calibration, and we could reproduce the total instrument throughput with an absolute error of 0–10% and a relative error of less than 5%. Finally, we show first realistic on-sky simulations of a deep field spectroscopy scene, and we explored the capabilities of NIRSpec to study exoplanetary transit events. We determined upper brightness limits of observable host stars, and give noise estimations of exemplary transit spectra.


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