Calibratie van het MIRI instrument aan boord van de James Webb Space Telescope en spectroscopie van exoplaneten met MIRI

De James Webb Space Telescope (JWST) zal zwakke hittesignaturen detecteren die worden uitgezonden door verre hemellichamen. Hoe verder het object, hoe langer het duurt voordat het uitgestraalde licht ons bereikt. Zichtbaar licht, dat ooit werd uitgezonden door de eerste sterrenstelsels die werden gevormd na de oerknal, wordt roodverschoven op zijn weg hiernaartoe en alleen een zeer gevoelig infraroodinstrument kan het detecteren. Het water in de atmosfeer van de aarde blokkeert infrarood licht van het oppervlak te bereiken, en daarom zal JWST in de ruimte worden gestuurd, waar zijn wetenschappelijke instrumenten in staat zullen zijn om het licht van verre sterrenstelsels te detecteren, evenals nabije exoplaneet-herbergende zonnestelsels, en objecten in ons eigen zonnestelsel.

Het mid-infrarood instrument (MIRI) aan boord van JWST zal beeldvorming, coronagrafie en lage- en medium-resolutie spectroscopie leveren met ongekende gevoeligheid in het golflengtebereik van 5 tot 28 micron. MIRI gebruikt Si:As ‘impurity band conduction detector arrays’ om infrarood licht te detecteren. Dit type detector werd gebruikt in talrijke ruimtemissies in het verleden, waaronder het Infrared Space Observatory en de Spitzer Space Telescoop. MIRI bouwt voort op hun nalatenschap.

Het doel van dit proefschrift is om gebruik te maken van gegevens die met MIRI zijn verkregen in meerdere testcampagnes op de grond om instrumenteigenschappen te karakteriseren en te modelleren, die het mogelijk maken om onbewerkte MIRI-detectorsignalen te kalibreren en te verwerken tot gekalibreerde spectra en spectrale kubussen. De kalibratiemethodes die in dit proefschrift zijn ontwikkeld, zijn toepasbaar op vroegere, huidige en toekomstige mid-infrarood instrumenten.

We openen dit proefschrift met een inleiding tot de JWST-missie, de JWST-wetenschappelijke doelen en de technische specificaties van de instrumenten aan boord van JWST. We focussen dan op MIRI. We beschrijven het raw data format van MIRI en beschrijven hoe een foton dat invalt op de MIRI-detectoren wordt omgezet in een digitaal signaal aan de uitgang van de versterker. Daarna richten we ons op de MIRI integral field spectrometer met gemiddelde resolutie (MRS). Optische vervormingen, optische transmissie-effecten en thermische effecten hebben invloed op de kalibratie van de MRS. Gedurende het proefschrift evalueren we kritisch eerdere methoden om de instrumentele effecten van MIRI te kalibreren en presenteren we nieuwe kalibratiemethodes om de wetenschappelijke data verkregen met MIRI en de MRS te verbeteren.