Station Optical Survey Zhaoxiang Qi, SHAO ( Jiacheng Liu, NJU * - PowerPoint PPT Presentation

CSS-OS Astrometry Group Astrometry with the Chinese Space Station Optical Survey Zhaoxiang Qi, SHAO ( 齐朝祥） Jiacheng Liu, NJU （刘佳成） * Shilong Liao, SHAO （廖石龙） 17 Oct, 2017 SHAO: O: Shanghai Astronomical Observatory NJU: Nanjing University

Astrometry is important • Realization/materialization of the (Inertial) celestial reference systems I. Operation of ground- and space-based telescopes (CSST, LAMOST, HST, ....) II. Deep space navigation （ cannot do without astronomical catalogs ） III. Support space programs (orbit determination and maneuvers) IV. Precise positioning systems (BeiDou, GLONASS, GPS, IRNSS &GALILEO) V. Monitoring Earth rotation （ EOP , UT1-UTC ） VI. Solar System Ephemeris (photography of long distance planets, minor planets ， asteroids)

• Measure fundamental quantities for Astrophysics I. Position: accurate alignment of emissions at different wavelengths testing structural and energy models of active extragalactic objects II. Distance, velocity: for Milky Way kinematics and dynamics III. Mass and photometry : stellar models, characterization of exoplanets

Accuracy of Astrometry Shi Shen ( 石申 , 360 BC) 120 stars Hipparchus (~190 BC) Hipparcos (ESA 1997) CSS-OS Gaia (ESA 2013)

The Gaia Mission (DR1)  Coordinates for 1.1 billion sources to G = 20.7 • 20 years of efforts  Typical position uncertainty 10 mas • Six data processing centers • 24 countries and ESA  Epoch J2015.0, alignment to ICRF < 0.1 mas, • 160 institutes (SHAO since 2014) rotation < 0.03 mas/yr • 450+ scientists and engineers  Optical positions of 2191 ICRF sources

Gaia DR1 photometry Gaia vs. Hipparcos Gaia DR1 magnitude distribution Gaia vs. SDSS

What Gaia will provide (DR2 in April 2018) I. Five-parameter astrometric solutions for all sources with acceptable formal standard errors II. G and integrated G BP and G RP photometric fluxes and magnitudes III. Median radial velocities for sources brighter than G RV = 12 IV. For stars brighter than G = 17, estimates of T eff V. Photometric data for a sample of variable stars VI. Epoch astrometry for a pre-selected list of > 10 000 asteroids A. Brown, Gaia Collaboration, 2016

Advantages of CSS-OS for astrometry I. Very deep survey: down to 26-27 magnitude, much more faint sources than Gaia II. Ultra high resolution: 74 mas/pixel, very good for astrometry (LSST 200mas/pixel, Gaia 60*180mas/pixel ） Large field of view: 1.1 deg 2 , adequate reference objects for image data reductions I. （ 200 times larger than HST, 2 times larger than Euclid, 3 times larger than Gaia ） II. Long time span: 10 years, appropriate for measuring stellar proper motion III. Multi-band: 7 bands, NUV to NIR y, for Multi-band reference frames

Disadvantages of CSS-OS I. Not full sky: do not cover the ecliptic region, no galactic plane II. Not good for parallax and proper motion: no sufficient repeated observations over a year Two obs. for each CCD and 20 obs. for the different CCDs during the whole survey; we need 1 obs/90 o .(ecliptic longitude) and 4obs/star at least Suggestion : optimizing the Survey Strategy or the Focal Plane Instruments for parallax observations.

Astrometry project 1: optical Reference Frame at the faint end • Current best RF: realized by 500000 quasars in G band (after the Gaia DR2) • Low density: ~12 sources/deg 2 : (magnitude limit: 20.7 mag) • CSS-OS: down to 26 R mag (very conservative estimate), RA, Dec 0.05~26mas ， PMs 8 μ as/yr~4 mas/yr, depend on brightness. • more sources in the faint end: more than 1000 sources/deg 2 • This is necessary for space observation: big progress in astrometry and reference frame

Astrometry project 1: Near infrared Reference Frame • A new reference frame for infrared observations E.g. Orbital determination of S2 star in the Galactic center region • Aim of accuracy: 1 mas – 10 μ as • Sources: dwarf stars • NIR astrometry: • DENIS (Deep Near-Infrared Survey @ 0.3 mas) • 2MASS -- down to 17.1 (J), 16.4 (H), 15.3 (K) mag, mean accuracy: 0.2 ” • JASMINE (Japan in prep.) – 80 cm telescope@ K band (1.5-2.5 μ m), 10 mas parallax accuracy • Link the NIR reference frame to ICRF/Gaia-CRF (SiO Maser or NIR loud star) Other possible new Reference Frames for NUV, u, g, r, i, z. Product: a NIR catalogue

图 滤 线 统 光 片 通 光 曲 与 成 像 模 式 下 的 系 通 光 效 率 。 焦 面 布 局 远镜 光 统为 巡 视场 ， 侧 的 视场 供 导 望 学 系 天 主 焦 面 提 供 了 ° 的 主 焦 面 两 ° 仪 、 传 感 红 外 组 件 标组 件 图 导 星 波 前 器 、 短 波 和 天 体 定 使 用 ， 焦 面 布 局 如 所 示 。 仪 和 传 感 远镜总 体 导 星 测 器 视场 面 积 共 约 星 波 前 器 由 望 研 制 ， 探 有 效 平 方 度 ， Astrometry project 2: 远镜总 体 传 感 设计 方 导 星 仪 以 频 率 样 ， 读 出 望 尚 未 提 供 波 前 器 案 。 ฀ 采 开 窗 ， 远镜 研 队 伍 组织 构 远镜总 体 获 取 导 星 读 出 望 制 架 明 确 后 ， 将 与 望 商 定 数 据 和 未 开 窗 们 Astrometric Support for CSS-OS 为 图 像 红 外 视场 共 约 区 域 与 主 焦 面 同 步 曝 光 的 事 宜 。 短 波 焦 平 面 器 件 有 效 不 平 方 标组 件 测 器 视场 共 约 暂 定 度 ， 天 体 定 探 有 效 平 方 度 （ ） 。 The astrometry group will organize: 图 滤 线 统 光 片 通 光 曲 与 成 像 模 式 下 的 系 通 光 效 率 。 • Initial Astrometric Data Treatment Unit: Image data reduction, 焦 面 布 局 object detection, centroid, cross-matching 远镜 光 统为 巡 视场 ， 侧 的 视场 供 导 望 学 系 天 主 焦 面 提 供 了 ° 的 主 焦 面 两 ° 仪 、 传 感 红 外 组 件 标组 件 图 导 星 波 前 器 、 短 波 和 天 体 定 使 用 ， 焦 面 布 局 如 所 示 。 仪 和 传 感 远镜总 体 导 星 测 器 视场 面 积 共 约 星 波 前 器 由 望 研 制 ， 探 有 效 平 方 度 ， 图 巡 天 相 机 焦 面 布 局 。 远镜总 体 传 感 设计 方 导 星 仪 以 频 率 样 ， 读 出 望 尚 未 提 供 波 前 器 案 。 ฀ 采 开 窗 ， 远镜 研 队 伍 组织 构 滤 光 换 机 远镜总 体 满 足 获 取 导 星 络 、 质 量 约 束 读 出 望 由 于 制 焦 面 巨 大 ， 若 架 采 明 用 确 后 ， 片 将 切 与 望 构 ， 将 无 商 法 定 包 数 据 和 等 未 开 窗 条 件 ， • Astrometric Data core Processing Unit: x, y to RA, Dec, PMs, 图 像 红 外 视场 共 约 间应 用 滤 光 难 度 过 将 滤 光 区 域 与 主 焦 面 同 步 曝 光 的 事 宜 。 短 波 焦 平 面 器 件 有 效 平 方 而 如 此 大 尺 寸 空 的 片 的 研 制 也 相 当 大 。 通 片 与 固 定 安 标组 件 滤 光 测 器 换 机 视场 共 约 统 的 暂 定 优 化 度 装 ， ， 天 省 体 去 定 了 片 探 切 有 构 效 ， 提 高 了 系 平 可 方 靠 度 性 （ ， 并 且 ） 可 。 以 按 波 段 的 量 Parallax … 该 方 组滤 光 图 滤 光 为 一 组 ， 子 效 率 ， 提 高 相 机 的 性 能 。 案 中 每 片 （ 中 两 个 片 、 • Astrometric Monitoring Unit: for telescope Pointing, Tracking and Focal Plane (distortion) Variations 图 巡 天 相 机 焦 面 布 局 。 滤 光 换 机 满 足 络 、 质 量 约 束 由 于 焦 面 巨 大 ， 若 采 用 片 切 构 ， 将 无 法 包 等 条 件 ， 时 间应 用 滤 光 难 度 过 将 滤 光 而 如 此 大 尺 寸 空 的 片 的 研 制 也 相 当 大 。 通 片 与 固 定 安 滤 光 换 机 统 的 优 化 时 装 ， 省 去 了 片 切 构 ， 提 高 了 系 可 靠 性 ， 并 且 可 以 按 波 段 的 量 个 上 上 能 时 要 上 该 方 组滤 光 图 滤 光 为 一 组 ， 子 效 率 ， 提 高 相 机 的 性 能 。 案 中 每 片 （ 中 两 个 片 、 上 上 要 们

Other astrometric research not fully covered by Gaia: • Very bright stars (G < 4 mag, but not available for CSS-OS) • Complex motion or variable objects “time domain astrometry”: multiple, specific epoch observations or long time-line observations • Orbital motion of natural satellites • Asteroid mass determination • Multiple star system, exo-planets • Some AGN, extragalactic reference frame objects (possible topic for CSS-OS)

Thank you! Astrometry Group of CSS-OS