Abstract

NASA’s highest-priority future flagship astrophysics mission is a large infrared/optical/ultraviolet (IR/O/UV) telescope, the first in a series of new Great Observatories recommended by the 2020 Decadal Survey. The current concept for this telescope is the Habitable Worlds Observatory (HWO), drawing on past design projects such as LUVOIR and HabEx. A key goal for HWO is to identify habitable exoplanets. The HWO will obtain spectra and direct images of distant, dim worlds, necessitating highly sensitive instruments. The HWO will require a coronagraph that achieves a 10^−10 contrast ratio to suppress the starlight and reveal terrestrial exoplanets. The detector’s dark current and read noise must be extremely low to enable high contrast imaging of terrestrial exoplanets, from which only a few photons per hour reach the telescope. These requirements have created a need for single photon counting detectors for HWO. This paper presents the instrument requirements and design for an optical single photon counting photonic spectrograph (SPCPS) based on simulated observations of an earthlike exoplanet atmosphere. The SPCPS incorporates emerging technologies: a single photon counting CMOS detector and an on-chip astrophotonic spectrograph, the latter offering a smaller and lighter instrument compared to traditional spectrographs. This project identifies the stellar parameter space within which direct imaging of exoplanets in the local galactic neighborhood (∼50 pc) would be possible with HWO. The integration time to reach a desired spectral signal-to-noise ratio (SNR) of the O2-A band biosignature at 760 nm is determined by using the Earth to simulate exoplanet atmospheric observations around different stars. The integration time and SNR are the key criteria for optimizing the SPCPS system. Initial findings suggest that the SPCPS achieves an SNR of 10 with a 45% error on the equivalent width of the O2-A band in ∼ 10^3 hours. This work assesses design requirements for the SPCPS for exoplanet atmosphere characterization and suggests future improvements for design and model considerations.

Abstract (French)

La future mission la plus prioritaire de la NASA en astrophysique est le lancement d’un grand télescope infrarouge/optique/ultraviolet (IR/O/UV), le premier d’une série de New Great Observatories recommandés par le 2020 Decadal Survey. Le concept actuel de ce télescope est le Habitable Worlds Observatory (HWO), s’appuyant sur des projets de conception antérieurs tels que LUVOIR et HabEx. Un objectif primaire pour HWO est l’identification d’exoplanètes habitables. HWO obtiendra des spectres lumineux et des images directes de mondes lointains et sombres. Ceci nécessitera des instruments à haute précision. HWO requiert un coronographe qui atteint un contraste de 10^-10 afin de dissimuler la lumière stellaire et dévoiler des mondes terrestres. Le courant d’obscurité et le bruit numérique parvenant du détecteur doivent être extrêmement faibles afin de permettre l’imagerie à haut contraste des exoplanètes depuis lesquelles n’arrivent que quelques photons par heure. Ces exigences créent le besoin de détecteurs à comptage de photons uniques pour HWO. Ce projet présente les exigences et simulations pour la conception d’un spectrographe photonique à comptage de photons uniques (single photon counting photonic spectrograph, ou SPCPS, en anglais). Les calculs se basent sur des observations atmosphériques d’exoplanètes simulées. Le SPCPS intègre des technologies émergentes: un détecteur CMOS à comptage de photons uniques, et un spectrographe astrophotonique sur puce, ce dernier offrant un système plus compacte et léger que les spectrographes traditionnels. Notre activité identifie l’espace des paramètres stellaires pour lequel l’imagerie directe des exoplanètes dans le voisinage stellaire local (~50 pc) serait possible avec HWO. Le temps d’intégration pour atteindre un rapport de signal sur bruit (SNR) souhaité pour le biomarqueur d’oxygène (O2-A à 760 nm) est évalué en utilisant le spectre atmosphérique terrestre autour d’autres étoiles. Le SNR et le temps d’intégration sont donc les critères essentiels pour optimiser le modèle du SPCPS. Les premiers résultats suggèrent que le SPCPS atteint un SNR de 10 avec une erreur de 45% sur la largeur équivalente de la raie spectrale du O2-A en 10^3 heures. Cette ébauche évalue les exigences sur le schéma du SPCPS pour la caractérisation de l’atmosphère des exoplanètes et pointe vers de futures améliorations sur le modèle courant.

Publication Date

7-2024

Document Type

Thesis

Student Type

Graduate

Degree Name

Astrophysical Sciences and Technology (MS)

Department, Program, or Center

Physics and Astronomy, School of

College

College of Science

Advisor

Donald Figer

Advisor/Committee Member

Zoran Ninkov

Advisor/Committee Member

Michael Zemcov

Campus

RIT – Main Campus

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