基于综合光子蒙特卡洛方法的光学巡天望远镜天文图像模拟

我们提出一种模拟光学巡天望远镜天文图像的综合方法。我们采用光子蒙特卡洛方法，从天体源种群模型中对光子采样，然后模拟这些光子在系统中与大气、望远镜和相机相互作用的过程。我们证明，决定单个恒星和星系形状、位置和亮度的所有光学光物理效应都可以在此形式化体系中准确表示。通过利用大规模网格计算、现代处理器以及一种每秒可产生400,000光子的高效实现，我们证明即便非常大的光学巡天现在也能被模拟。我们展示我们能够：1) 构造广角望远镜所需公里尺度相位屏；2) 使用一种针对非衍射极限望远镜的快速新型几何/傅里叶混合技术重现大气点扩散函数矩；3) 准确重现复杂非球面光学设计的预期点列图；4) 恢复由解析光度积分预测的系统有效面积。这一新代码，即光子模拟器(PhoSim)，已公开可用。我们已实现大视场巡天望远镜（LSST）的设计，并可扩展至其他望远镜。我们期望，由于PhoSim中实现的综合物理，它将被学界用于规划未来观测、解释现有的详细观测以及量化与各种天文测量相关的系统误差。未来的开发和通过与真实数据比较的验证将持续改进代码的保真度和可用性。