Assessing the photometric and astrometric capabilities of the ELT METIS imager on the centre of the Milky Way

Abstract

The forthcoming generation of Extremely Large Telescopes (ELTs), boasting apertures ranging from 25 to 40 meters, promises unparalleled advancements in astronomical imaging and spectroscopy. The European Southern Observatory’s Extremely Large Telescope (ESO ELT) stands as a pinnacle project in this new era of ground-based observatories, poised to catalyse transformative scientific discoveries.Improvements in astrometry and photometry, derived from the expected increase in sensitivity and angular resolution of Extremely Large Telescopes (ELTs), will empower otherwise challenging astronomical observations, such as imaging closed-packed stellar clusters and the analysis of stellar orbits near the supermassive object Sagittarius A* at the centre of the Milky Way. The ample capabilities of the Extremely Large Telescope (ELT) Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) in the mid-infrared (MIR) photometric bands make it the ideal instrument for the study of these science cases. However, no estimation of the predicted astrometric performance of this instrument is available in the literature. As such, a critical need exists for an assessment of METIS’s anticipated astrometric performance to gauge its suitability for diverse observation targets.This thesis undertakes an in-depth evaluation of the capabilities of the METIS instrumentin L’ band imaging. With this purpose in mind, a pipeline for generating realistic images of the Galactic Centre is first introduced. Subsequently, the inverse problem is tackled, leveraging a well-established photometry and astrometry toolkit to analyse the generated synthetic images and extract precise position and flux data of stellar sources.From the analysis conducted herein, an estimate of the astrometric precision for the METIS imager in L’ is provided. Furthermore, the feasibility of using existing general-purpose software pipelines for performing high-precision astrometry is explored. Finally, this study includes a thorough investigation of extra error sources that were not previously taken into account, resulting in the development of a detailed astrometric error budget.

A próxima geração de Telescópios Extremamente Grandes (ELTs), com aberturas variando de 25 a 40 metros, promete avanços sem paralelo na aquisição de imagem e espectroscopia astronômicas. O Extremely Large Telescope (ELT) do Observatório Europeu do Sul (ESO) destaca-se como um projeto de destaque nesta nova era de observatórios terrestres, pronto para catalisar descobertas científicas transformadoras.As melhorias em astrometria e fotometria, decorrentes do aumento esperado na sensibilidade e resolução angular dos ELTs, possibilitarão realizar observações astronômicas desafiantes, como a observação de aglomerados estelares densamente povoados e a análise das órbitas estelares próximas ao objeto supermassivo Sagitário A* no centro da Via Láctea. As amplas capacidades do instrumento METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph) do ELT nas bandas fotométricas de infravermelho médio (MIR) fazem dele o instrumento ideal para o estudo destes casos científicos. No entanto, não existe estimativa do desempenho astrométrico previsto deste instrumento na literatura. Como tal, existe uma necessidade crítica de avaliar o desempenho astrométrico esperado do METIS e a sua adequação para diversos alvos de observação.Esta tese tem como objetivo avaliar detalhadamente as capacidades do instrumento METIS em observações diretas da banda L'. Com este propósito em mente, começa-se por introduzir o processo de geração de imagens realistas do Centro Galáctico. Subsequentemente, o problema inverso é abordado, utilizando um conjunto bem estabelecido de ferramentas de fotometria e astrometria para analisar as imagens sintéticas geradas e extrair dados precisos de posição e fluxo de fontes estelares.A partir da análise realizada nesta tese, é fornecida uma estimativa da precisão astrométrica para as observações diretos do METIS na banda L'. Adicionalmente, é explorada a viabilidade de se utilizar softwares de uso geral existentes para análise de astrometria de alta precisão. Por fim, este estudo inclui uma análise alargada de fontes de erros adicionais que não foram previamente consideradas, resultando no desenvolvimento de um detalhado orçamento de erros astrométricos.