[論文レビュー] The polarimetric imaging mode of VLT/SPHERE/IRDIS I: Description, data reduction and observing strategy

J. de Boer, M. Langlois+32 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、VLT/SPHERE/IRDISの偏光イメージングモードについて、その光学的設計、データ還元技術、最適な観測戦略を詳細に提示する。実験により、特にクロストークと偏光角度のオフセットといった機器由来の偏光効果が偏光効率を著しく低下させることを示し、これらはモデルに基づく手法を用いることで補正可能であることが判明した。これにより、0.4"の分離度で10⁻⁶〜10⁻⁷の偏光対比を達成する高対比のプロト星周円盤のイメージングが可能となった。

ABSTRACT

Context. Polarimetric imaging is one of the most effective techniques for high-contrast imaging and characterization of protoplanetary disks, and has the potential to be instrumental in characterizing exoplanets. VLT/SPHERE contains the InfraRed Dual-band Imager and Spectrograph (IRDIS) with a dual-beam polarimetric imaging (DPI) mode, which offers the capability to obtain linear polarization images at high contrast and resolution. Aims. We aim to provide an overview of IRDIS/DPI and study its optical design to improve observing strategies and data reduction. Methods. For H-band observations of TW Hya, we compare two data reduction methods that correct for instrumental polarization effects in different ways: a minimization of the noise image, and a polarimetric-model-based correction method that we present in Paper II of this study. Results. We use observations of TW Hya to illustrate the data reduction. In the images of the protoplanetary disk around this star we detect variability in the polarized intensity and angle of linear polarization with pointing-dependent instrument configuration. We explain these variations as instrumental polarization effects and correct for these effects using our model-based correction method. Conclusions. IRDIS/DPI has proven to be a very successful and productive high-contrast polarimetric imaging system. However, the instrument performance depends on the specific instrument configuration. We suggest adjustments to future observing strategies to optimize polarimetric efficiency in field tracking mode by avoiding unfavourable derotator angles. We recommend reducing on-sky data with the pipeline called IRDAP that includes the model-based correction method (described in Paper II) to optimally account for the remaining telescope and instrumental polarization effects and to retrieve the true polarization state of the incident light.

研究の動機と目的

• VLT/SPHERE/IRDISの偏光イメージングモードを特徴づける光学的設計および機器上の制限要因を特定すること。
• 偏光効率を低下させる機器由来の偏光効果（例：クロストーク、偏光角度のオフセット）を特定・定量すること。
• 散乱光の真の偏光状態を回復するために、機器由来の偏光効果を補正するモデルベースの手法を開発・検証すること。
• 特にフィールドトラッキングモードにおける性能劣化を最小限に抑えるために、観測戦略を最適化すること。
• 今後の観測において、高精度なデータ還元を実現するため、モデルベース補正を組み込んだIRDAPパイプラインの使用を推奨すること。

提案手法

• TW HydraeのHバンド観測を用いて、異なる機器設定下での偏光性能を分析した。
• 2つのデータ還元手法を比較した：(1) ノイズ画像（Uϕ）の最小化、および (2) Paper IIで開発された、機器由来の偏光効果を補正するモデルベースの手法。
• モデルベースの補正手法は、偏光パラメータQとUに対する機器の応答をモデル化することで、クロストークと偏光角度のオフセットを補正する。
• 機器由来の偏光効果は、異なる指向設定における偏光強度および位置角の変動を測定することで定量された。
• 異なるバンド（Y、J、H、Ks）における偏光モードの性能を評価した結果、デロータトル角度とバンド固有の効率に強く依存することが判明した。
• 地上観測データ還元にはIRDAPパイプラインを推奨し、モデルベース補正を組み込むことで信号の忠実度が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クロストークや偏光角度のオフセットといった機器由来の偏光効果が、異なる観測設定下におけるSPHERE/IRDISの偏光効率にどのように影響を与えるか。
• RQ2 フィールドトラッキングモードにおけるデロータトル角度の選択が、IRDISの偏光性能にどの程度影響を及えるか。
• RQ3 モデルベース補正手法が、機器由来の偏光アーティファクトを効果的に除去し、周囲星の光の真の偏光状態を回復できるか。
• RQ4 SPHERE/IRDISの偏光対比は、GPI や NACO といった他の高対比偏光イメージング機器と比較して、1秒角未塔の分離度においてどう異なるか。
• RQ5 SPHERE/IRDISのデュアルビーム偏光モードにおいて、偏光効率を最大化し、信号損失を最小限に抑える観測戦略は何か。

主な発見

• 不利なデロータトル角度で観測する際、HバンドおよびKsバンドでは偏光効率が低くとも約5％まで低下する。
• Hバンドでは最大で約30°の偏光角度オフセットが観測され、Ksバンドではさらに増大する。これはクロストークおよび光学路の不整合に起因する。
• モデルベース補正手法は、偏光強度および位置角の変動を正確に説明・除去でき、真の偏光信号の再構築に成功した。
• 0.4"の分離度で10⁻⁶〜10⁻⁷の偏光対比が達成され、GPIと同等の性能を示し、NACOを上回る。
• Jバンドでは89％以上の偏光効率を維持し、Yバンドでは54％を示しており、短波長帯での性能が優れていることが示された。
• モデルベース補正を組み込んだIRDAPパイプラインは、最適なデータ還元に不可欠であり、偏光測定の忠実度を顕著に向上させた。