[論文レビュー] GASP - Galway Astronomical Stokes Polarimeter

Patrick P. Collins, Brendan Shehan+2 more|ArXiv.org|May 1, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

GASPは、Division of Amplitude Polarimetry (DOAP)に基づく超高速でフル・ストークスの天体画像偏光計であり、修正されたフレネル・ロムをビームスプリッターおよびラムダ/4波プレートとして用い、1回の露出で全ストークスパラメータ（I, Q, U, V）を同時に測定する。Eigenvalue Calibration Method（ECM）を用いることで1%の校正精度を達成し、光学パulsar やガンマ線バーストの後光など、急速な確率的偏光変動の正確な検出を可能にする。

ABSTRACT

The Galway Astronomical Stokes Polarimeter (GASP) is an ultra-high-speed, full Stokes, astronomical imaging polarimeter based upon a Division of Amplitude Polarimeter. It has been developed to resolve extremely rapid stochastic, millisecond variations in objects such as optical pulsars, RRATs and magnetic cataclysmic variables. GASP has no moving parts or modulated components, so the complete Stokes vector can be measured from just one exposure - making it unique to astronomy. Furthermore the time required for the determination of the full Stokes vector is limited only by the time resolution of the detectors used and the incident photon fluxes. GASP utilizes a modified Fresnel rhomb, which acts as a highly achromatic quarter wave plate and a beamsplitter (referred to as an RBS). Here we present a description of how the DOAP works, some of the optical designs for the polarimeter, and give some preliminary results. Calibration is an important, and difficult issue with all polarimeters, but particularly in astronomical polarimeters. We give a description of calibration techniques appropriate to this type of polarimeter, particularly the Eigenvalue Calibration Method of Compain & Drevillon

研究の動機と目的

• 急速に変化する天体的偏光現象のフル・ストークスベクトルを1回の露出で測定可能な高時間分解能偏光計の開発。
• 従来の回転波プレートおよびウォラストンプリズム系がミリ秒スケールでの確率的偏光変動を捉えることのできない限界を克服すること。
• 機械的部品を排除した偏光計の設計により、検出器性能と光子フラックスにのみ制限される高時間分解能を実現すること。
• 機器由来偏光を排除し、偏光測定において1%未満の精度を保証する堅牢な補正法の実装。
• ガンマ線バーストの後光や、新規のFermiガンマ線パulsar の光学的対応天体など、一時的イベントのターゲット・オブ・オポーチュニティ観測を可能にすること。

提案手法

• GASPはDivision of Amplitude Polarimetry (DOAP)を採用し、入射光を修正されたフレネル・ロム（RBS）によって強度が等しく、ラムダ/4遅延を有する2つのビームに分割する。
• RBSはビームスプリッターとしても機能し、高分散性のラムダ/4波プレートとしても機能し、線形偏光成分と円偏光成分を同時に測定可能である。
• 各ビームはウォラストンプリズムを通じて直交する偏光状態に分離され、4つの出力ビームが得られ、その強度はEMCCDまたはAPD検出器で測定される。
• システムは線形関係 I = A·S に従い、I は測定強度ベクトル、A はシステム行列、S は入射ストークスベクトルである。S は S = I·A⁻¹ を用いて復元可能である。
• 補正はEigenvalue Calibration Method (ECM) を用い、空気、0°および90°偏光子、28°方向に整列したQWPの4つの既知の偏光基準標準のムーアー行列を測定することで誤差補正行列を特定する。
• 補正プロセスにより機器由来偏光が排除され、偏光状態が既知の標準星を用いてシステムの検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的部品を排除したフル・ストークス偏光計は、確率的偏光現象においてミリ秒レベルの時間分解能を達成できるか？
• RQ2 DOAPに基づくシステムは、機械的モジュレーションなしに1回の露出でフル・ストークスベクトルをどれほど正確に測定できるか？
• RQ3 Eigenvalue Calibration Method (ECM) は、高精度な天体偏光計の校正において1%未満の精度を達成できるか？
• RQ4 装置の回転に伴い、偏光度と偏光角がどれほど一貫して保たれるか。これは正しい行列補正がなされているかを確認する。
• RQ5 この偏光計は、光学パulsar やガンマ線バーストの後光に予想されるような急速な偏光変動を検出・特徴付けることができるか？

主な発見

• GASPは、50%偏光の標準星CRL 2688の線形偏光度を0.1秒露光で一貫して測定し、安定性と低ノイズを示した。
• 測定された偏光角は装置の回転に正確に従い、システム行列Aが正しく補正され、逆行列が得られることを確認した。
• ストークスIおよびU/Q強度の揺らぎはポissonノイズモデルと一致しており、光子制限ノイズが主な不確実要因であることを示した。
• Eigenvalue Calibration Method を用いることで1%の校正精度を達成し、天体天体の偏光測定が信頼できるものとなった。
• 1.5mカシニ望遠鏡では、0.1秒露光で8m望遠鏡でのクレーブ・パルサー観測において約5msの時間分解能が得られ、パルサー研究への実現可能性を裏付けた。
• 装置の回転テストでは、偏光度は一定であり、偏光角は回転に比例して変化した。これは、リアルタイムでの偏光状態の正確な解像が可能であることを検証した。