German Title: Der bildgebende nah-infrarot Kannal für die Euclid Dark Energy Mission : Entwicklung der grundlegenden opto-mechanischen Komponenten und Kalibrationskonzepte

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Abstract

This thesis describes a number of instrumentation and mission design developments performed to prepare the European Space Agency’s (ESA’s) Euclid Mission. This space-based mission will enable unprecedented experimental probes of the nature of dark energy. As the Near-Infrared Photometry Scientist – one of three Instrument Scientists within the Euclid Consortium – my work focused on the mission’s near-infrared photometric channel, which is required for the photometric redshift measurements of the ~1.5 billion galaxies within the large Euclid imaging survey. This thesis addresses and solves a range of specific problems relating to implementation of this channel, with the ultimate goal of proving mission feasibility during the selection process of ESA’s Cosmic Vision Program. To that end, this thesis details requirement breakdowns and error budgets used to translate scientific requirements into lower level instrument requirements. The performance validation of the baseline implementation of the mission against high level requirements has formed an important part of the mission verification process; those applicable to the photometric channel are presented in this thesis. I have also developed a calibration strategy to meet the channel’s stringent high level calibration requirement. This includes specific work on optimizing the survey strategy for the retrospective calibration of the survey-wide dataset and also hardware development relating to a potential implementation of an internal flat-field calibration source. An assessment of the channel’s critical, single-point-failure filter wheel mechanism – which is needed to allow multi-band near-infrared photometry – is also detailed. Much of this effort has been incorporated into official Euclid documentation that has formed the basis of the Euclid Consortium’s response to the Cosmic Vision Program selection process. The baseline implementation of the near-infrared photometric channel, the performance of which was under my stewardship, meets all the high level science requirements.

Translation of abstract (German)

Diese Doktorarbeit beschreibt die Entwicklung verschiedener Instrumentierungs- und Missionskonzepte in Vorbereitung auf die ESA (European Space Agency) Euclid Mission. Ziel der Euclid Mission ist es, die Natur der dunklen Energie mit bisher unerreichter Genauigkeit zu untersuchen. In meiner Position als verantwortlicher Wissenschaftler füur den Nahinfrarot-Photometrie-Bereich (im Euclid Konsortium gibt es insgesamt drei Instrumente, mit je einem verantwortlichen Wissenschaftler) habe ich mich insbesondere mit dem Nahinfrarot-Photometrie-Instrument auseinandergesetzt, welches für photometrische Rotverschiebungsmessungen von mehr als 1.5 Milliarden Galaxien in der groß en Euclid Durchmusterung genutzt werden soll. In dieser Arbeit untersuche ich eine Vielzahl von Problemstellungen, welche die Implementierung dieses Photometriekanals in die Mission betreffen. Die von mir erarbeiteten Lösungen zeigen, dass die Missionsziele erreicht werden können. Der Nachweis dieser Machbarkeit ist essenziell in Hinblick auf den weiteren Auswahlprozess im ESA Cosmic Vision Programm. In dieser Arbeit leite ich Missionsanforderungen und Fehlerbudgets ab, um die wissenschaftlichen Zielsetzungen in Anforderungen auf Instrumentierungsebene zu überführen. Einen wichtigen Anteil am Nachweis der Missionsmachbarkeit stellen die Funktionsbewertungen des Instrumentierungskonzepts in Hinblick auf das Erreichen der wichtigsten wissenschaftlichen Anforderungen dar. Daher sind die Funktionsbewertungen für den photometrischen Kanal ebenfalls aufgeführt. Um die hohen Anforderungen an die Kalibrierung des Nahinfrarot-Photometrie-Kanals erfüllen zu können, habe ich eine Kalibrierungsstrategie entwickelt. Spezielles Augenmerk lag dabei auf der Optimierung der Durchmusterungsstrategie für die nachträgliche Kalibrierung der Gesamtheit der wissenschaftlichen Daten sowie an der Entwicklung von Komponenten für eine potenzielle Einbindung einer internen 'flat-field' Kalibrierungsquelle. Des Weiteren wurde eine detaillierte Untersuchung des Filterradmechanismus durchgeführt. Diese systemkritische Komponente, für die es keine Redundanz gibt, wird benötigt um photometrische Messungen in verschiedenen Bändern des Nahinfraroten durchführen zu können. Viele der in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse sind in die offizielle Euclid-Projekt-Dokumentation eingeflossen. Diese Dokumentation bildet die Grundlage der Antwort des Euclid Konsortiums für das weitere Auswahlverfahren im Cosmic Vision Programm der ESA. Das Instrumentierungskonzept für den Euclid Nahinfrarot-Photometrie-Kanal, welches unter meiner Verantwortung entwickelt worden ist, erfüllt alle grundlegenden wissenschaftlichen Anforderungen.