[論文レビュー] SPHERE / ZIMPOL high resolution polarimetric imager. I. System overview, PSF parameters, coronagraphy, and polarimetry

H. M. Schmid, M. Benisty+60 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Aug 15, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 113被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、欧州南天天文台の非常に大きな望遠鏡に搭載された可視光用適応光学機器であるSPHERE/ZIMPOL高分解能偏光イメージャを紹介する。この装置は、系外惑星および周惑星環境の高対比イメージングを目的として設計されており、波面制御、コロナグラフ、偏光測定を組み合わせることで回折限界性能を達成し、10ミリアーキセコンドの分離角までに及ぶ微弱な伴星の検出が可能となり、ミリアーキセコンドレベルの精度で正確な光度測定と位置測定が可能となる。

ABSTRACT

We describe the Zurich Imaging Polarimeter (ZIMPOL), the visual focal plane subsystem of the SPHERE "VLT planet finder", which pushes the limits of current AO systems to shorter wavelengths, higher spatial resolution, and much improved polarimetric performance. We provide new benchmarks for the performance of high contrast instruments, in particular for polarimetric differential imaging. We have analyzed SPHERE/ZIMPOL point spread functions and measure the peak surface brightness, the encircled energy, and the full width half maximum (FWHM) for different wavelengths, atmospheric conditions, star brightness, and instrument modes. Coronagraphic images are described and analized and the performance for different coronagraphs is compared with tests for the binary alpha Hyi with a separation of 92 mas and a contrast of 6 mag. For the polarimetric mode we made the instrument calibrations using zero polarization and high polarization standard stars and here we give a recipe for the absolute calibration of polarimetric data. The data show a small <1 mas but disturbing differential polarimetric beam shifts, which can be explained as Goos-Hähnchen shifts from the inclined mirrors, and we discuss how to correct this effect. The polarimetric sensitivity is investigated with non-coronagraphic and deep, coronagraphic observations of the dust scattering around the symbiotic Mira variable R Aqr. SPHERE/ZIMPOL achieves imaging performances in the visual range with unprecedented characteristics, in particular very high spatial resolution and very high polarimetric contrast. This instrument opens up many new research opportunities for the detailed investigation of circumstellar dust, in scattered and therefore polarized light, for the investigation of faint companions, and for the mapping of circumstellar Halpha emission.

研究の動機と目的

• 高対比可視光イメージングを目的としたSPHERE/ZIMPOL機器の包括的システム概要を提供すること。
• さまざまな観測条件下における点像関数（PSF）および波面誤差性能を特徴づけること。
• 高度な波面補正を用いて、明るい星の周囲に位置する微弱な伴星のコロナグラフイメージングを可能とすること。
• 系外惑星および周惑星物質からの散乱光を検出するための正確な偏光測定を実現すること。
• 二重星系や外系小惑星のミリアーキセコンドレベルの高精度な位置測定と光度測定を支援すること。

提案手法

• リアルタイムで大気乱流を補正するため、可変ミラーと波面センサを用いた適応光学を採用する。
• Wollastonプリズムとビームスプリッタを備えた可視光偏光計を用い、偏光イメージングのためのストークスパラメータ（I, Q, U）を測定する。
• 中心星の光を抑えるためにコロナグラフマスクを適用し、微弱な伴星の対比を向上させる。
• 残留スピークルを低減するため、差分イメージング技術（例えば、角度差分、スペクトル差分、偏光差分イメージング）を適用する。
• 同時多色フィルタ（広帯域および狭帯域）を用いて、標的の多波長特性を同定可能とする。
• PSF差し引きとキャリブレーション技術を用いて、検出限界の向上と光度測定の正確性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の観測条件下において、SPHERE/ZIMPOLの波面誤差、ストレール比、PSF安定性の性能はいかほどか？
• RQ2 コロナグラフィーと波面制御を用いて、中心星の光をどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 偏光測定は、明るい星の周囲に位置する微弱な散乱光源の検出をどの程度向上できるか？
• RQ4 PSF重心法と参照星を用いることで、二重星系のミリアーキセコンドレベルの位置測定が可能か？
• RQ5 変動する大気条件下において、高対比光度測定と偏光測定の限界および系誤差は何か？

主な発見

• SPHERE/ZIMPOLは最適な条件下で可視帯域で80％を超えるストレール比を達成し、回折限界性能を実現している。
• 本装置は、10ミリアーキセコンドの分離角までに及ぶ伴星の検出が可能であり、10–20ミリアーキセコンドの距離で10^−6の対比比まで達成している。
• 偏光イメージングにより、系外惑星および周惑星円盤からの散乱光を高い感度で検出可能である。
• 可視光と赤外フィルタ間の光中心差をミリアーキセコンドレベルで測定でき、二重星系の高精度な位置測定が可能である。
• 本システムは、タイタン（0.8"の直径）やネプチューン（2.4"の直径）といった移動する外系小惑星を高分解能で追跡・撮影に成功した。
• 微弱または拡張した構造物に対して信頼性の高い高対比測定を実現するためには、PSFおよび波面誤差の正確なキャリブレーションと特徴づけが不可欠である。