[論文レビュー] The polarimetric imaging mode of VLT/SPHERE/IRDIS II: Characterization and correction of instrumental polarization effects

R. G. van Holstein, J. H. Girard+32 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Sep 28, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、SPHERE/IRDIS の機器偏光についての詳細な Mueller 行列モデルを構築し、それを較正し、周辺星円盤および準恒星伴星の偏光測定に高い偏光精度を達成するための補正手法を実装する。

ABSTRACT

Context. Circumstellar disks and self-luminous giant exoplanets or companion brown dwarfs can be characterized through direct-imaging polarimetry at near-infrared wavelengths. SPHERE/IRDIS at the Very Large Telescope has the capabilities to perform such measurements, but uncalibrated instrumental polarization effects limit the attainable polarimetric accuracy. Aims. We aim to characterize and correct the instrumental polarization effects of the complete optical system, i.e. the telescope and SPHERE/IRDIS. Methods. We create a detailed Mueller matrix model in the broadband filters Y-, J-, H- and Ks, and calibrate it using measurements with SPHERE's internal light source and observations of two unpolarized stars. We develop a data-reduction method that uses the model to correct for the instrumental polarization effects, and apply it to observations of the circumstellar disk of T Cha. Results. The instrumental polarization is almost exclusively produced by the telescope and SPHERE's first mirror and varies with telescope altitude angle. The crosstalk primarily originates from the image derotator (K-mirror). At some orientations, the derotator causes severe loss of signal (>90% loss in H- and Ks-band) and strongly offsets the angle of linear polarization. With our correction method we reach in all filters a total polarimetric accuracy of <0.1% in the degree of linear polarization and an accuracy of a few degrees in angle of linear polarization. Conclusions. The correction method enables us to accurately measure the polarized intensity and angle of linear polarization of circumstellar disks, and is a vital tool for detecting unresolved (inner) disks and measuring the polarization of substellar companions. We have incorporated the correction method in a highly-automatic end-to-end data-reduction pipeline called IRDAP which is publicly available at https://irdap.readthedocs.io.

研究の動機と目的

• SPHERE/IRDIS 全体の光学系（望遠鏡と機器）の機器偏光効果を特徴づける。
• Y, J, H, Ks バンド全体にわたる IP とクロストークを記述する Mueller 行列モデルを開発する。
• 内部光源の測定と偏光なし星の観測を用いてモデルパラメータを較正する。
• 科学データを機器偏光で補正するデータ還元法を作成する。
• 円盤（T Cha）で手法を実演し、IRDAP という自動データ還元パイプラインに統合する。

提案手法

• 光学系の詳細な Mueller 行列モデルを構築する。5 コンポーネント群（UT、M4、HWP、回転子、CI パス）を含む。
• 参照フレームの変化を補正するために、行列 T(θ) および Mθ = T(−θ)MT(θ) を用いた回転を使用する。
• SPHERE 内部光源の測定と偏光なし星の観測を用いてモデルパラメータを較正する。
• 機器偏光と天体信号を分離するためにダブル差分およびダブル和量を計算する。
• 実天文データへ補正を適用し、偏光計測精度を評価する（目標は絶対値で ≲0.1%、AoLP は数度程度）。
• これらの補正を実装した IRDAP パイプラインを公開用に公開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Y, J, H, Ks バンドにわたる SPHERE/IRDIS システムの機器偏光効果はどのようなものであるか？
• RQ2 Mueller 行列モデルは IP とクロストークを正確に記述し、偏光測定を補正するのに使用できるだろうか？
• RQ3 較正を適用した後に達成できる偏光精度（DoLP および AoLP）はどれくらいか？
• RQ4 補正は円盤と潜在的な準惑星伴星の測定をどのように改善しますか？
• RQ5 補正手法は自動データ還元パイプラインに統合できるほど堅牢ですか？

主な発見

• 機器偏光は主に望遠鏡と SPHERE の第一鏡によって生じ、仰角に応じて変化する。
• クロストークは主に画像デレトレータ（K-ミラー）によって引き起こされ、特定の向きで深刻な信号喪失を引き起こすことがある。
• 補正手法は4つのバンド全体で DoLP の総合偏光精度を ≲0.1%、AoLP を数度程度に達成する。
• 下流のコンポーネント由来の IP はダブル差分手法で大部分を除去できるが、上流 IP は較正を必要とする。
• この手法は IRDAP に実装され、偏光解析のために公開されている自動 End-to-End データ還元パイプライン。
• これにより円盤と準惑星伴星の偏光強度と AoLP の正確な測定が可能になる。