[論文レビュー] Full-Stokes polarimetry with circularly polarized feeds - Sources with stable linear and circular polarization in the GHz regime

I. Myserlis, E. Angelakis+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、円偏光素子を用いた新しいフルストokes偏光パイプラインを提示する。このパイプラインは、ストークスパラメータ計算の前段階で、線形偏光・円偏光、およびビーム依存のシステム回転といった機器効果を補正し、偏光度では0.1–0.2%、偏光角では約1°の精度を達成する。4.85 GHzおよび8.35 GHzで5.5年間にわたり150個のAGNに適用した結果、5つの源で安定した線形偏光、11の源で安定した円偏光度（うち4つは非ゼロの$m_{\mathrm{c}}$）を同定し、低信号領域においてミュラー行列法を上回る性能を示した。

ABSTRACT

We present a pipeline that allows recovering reliable information for all four Stokes parameters with high accuracy. Its novelty relies on the treatment of the instrumental effects already prior to the computation of the Stokes parameters contrary to conventional methods, such as the Müller matrix one. The instrumental linear polarization is corrected across the whole telescope beam and significant Stokes $Q$ and $U$ can be recovered even when the recorded signals are severely corrupted. The accuracy we reach in terms of polarization degree is of the order of 0.1-0.2 %. The polarization angles are determined with an accuracy of almost 1$^{\circ}$. The presented methodology was applied to recover the linear and circular polarization of around 150 Active Galactic Nuclei. The sources were monitored from July 2010 to April 2016 with the Effelsberg 100-m telescope at 4.85 GHz and 8.35 GHz with a cadence of around 1.2 months. The polarized emission of the Moon was used to calibrate the polarization angle. Our analysis showed a small system-induced rotation of about 1$^{\circ}$ at both observing frequencies. Finally, we identify five sources with significant and stable linear polarization; three sources remain constantly linearly unpolarized over the period we examined; a total of 11 sources have stable circular polarization degree $m_\mathrm{c}$ and four of them with non-zero $m_\mathrm{c}$. We also identify eight sources that maintain a stable polarization angle over the examined period. All this is provided to the community for polarization observations reference. We finally show that our analysis method is conceptually different from the traditionally used ones and performs better than the Müller matrix method. Although it was developed for a system equipped with circularly polarized feeds it can easily be modified for systems with linearly polarized feeds as well.

研究の動機と目的

• ストークスパラメータ計算の前段階で機器効果を補正する高精度な偏光パイプラインの開発。従来の手法（例：ミュラー行列法）の限界を克服することを目的とする。
• 特にGHz帯域において、低レベルの線形および円偏光（0.3%まで）を信頼性高く検出可能にする。
• 長期間（5.5年）にわたり安定した線形および円偏光を示す源の同定と特徴抽出を行い、将来的な観測の基準とする。
• 月の既知の径方向偏光パターンを用いて偏光角を校正し、システム由来の回転誤差を最小限に抑える。
• 円偏光素子および線形偏光素子の両方で使用可能なように、この手法を一般化し、さまざまな電波望遠鏡への応用可能性を高めること。

提案手法

• 未偏光源応答を用いて、望遠鏡全体のビームにわたる機器由来の線形偏光をモデル化し、点源および拡大源の両方に対して補正可能である。
• サブスキャン単位での機器寄与のクリーニングを適用し、低信号領域でも高い精度を確保する。
• $m_{\mathrm{c}}$のゼロレベル補正と特異値分解（SVD）という2つの独立した手法を用い、機器由来の円偏光補正を高精度かつ一貫性を持って実施する。
• 透過率および高度依存利得補正を適用し、これらが入射放射の偏光状態に依存しないことが示された。
• 月の観測を用いて機器回転を定量的に評価した。4.85 GHzでは1.26°、8.35 GHzでは-0.5°のわずかな測定可能なオフセットが確認され、高度依存性の可能性も示唆された。
• ミュラー行列法とは異なり、広範なパラメータ空間カバレッジを必要とせず、短い観測サイクルでも優れた性能を発揮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光素子における機器効果は、ストークスパラメータ計算の前段階で効果的に補正可能か？
• RQ2 本手法で達成可能な最小検出可能偏光度はどの程度か。特に低フラックス源においては？
• RQ3 どの電波源が5.5年間の期間にわたり、線形および円偏光パラメータにおいて長期的に安定しているか？
• RQ4 本手法は、ストークスQおよびUのセッション内安定性において、ミュラー行列法と定量的に比較してどの程度優れているか？
• RQ5 機器回転角は異なる源の高度において安定しているか。絶対校正のために補正が必要か？

主な発見

• 本手法は、偏光度で0.1–0.2%、偏光角で約1°の精度を達成し、従来手法を顕著に上回る。
• 5つの源が、全5.5年間の観測期間にわたり顕著かつ安定した線形偏光を示し、うち3つは常に非偏光のままであった。
• 合計11の源で安定した円偏光度（$m_{\mathrm{c}}$）を示し、そのうち4つは非ゼロの$m_{\mathrm{c}}$を示しており、長期的な磁場または放射の安定性を示唆する。
• 8つの源が観測期間中に安定した偏光角を維持しており、一貫した放射の幾何構造または磁場配向を示唆する。
• PKS 1127-14は、安定した円偏光度とヘリシティを示し、1984年の測定結果とも整合しており、約40年間にわたり安定していることを示している。
• 特に低偏光源（15–100 mJy）において、本手法はミュラー行列法に比べてストークスQおよびUのセッション内安定性で28%優れており、低信号領域でも顕著な性能向上を示した。