[논문 리뷰] SPHERE / ZIMPOL high resolution polarimetric imager. I. System overview, PSF parameters, coronagraphy, and polarimetry

H. M. Schmid, M. Benisty외 60명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2018. 08. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 113인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유럽남쪽망원단지의 매우 큰 망원경에 탑재된 ESO의 SPHERE/ZIMPOL 고해상도 편광 이미징기, 즉 가시광선 적응광학 장치를 제시한다. 이 장치는 외계행성과 원형행성 환경의 고대비 이미징을 위해 설계되었으며, 정밀한 wavefront 제어, 코로나그래피, 편광 측정을 통해 회절한계 성능을 달성한다. 이로 인해 10 밀리초각 이내의 분리로 약한 동반행성의 탐지가 가능하고, 밀리초각 수준의 정밀도로 광도 측정과 천체측량 측정이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고대비 가시광선 이미징을 위한 SPHERE/ZIMPOL 장치의 종합적 시스템 개요 제공.
• 다양한 관측 조건 하에서 점원형분포함수(PSF) 및 wavefront 오차 성능 특성화.
• 고도진 wavefront 보정을 통해 밝은 항성 근처의 약한 동반행성에 대한 코로나그래픽 이미징 가능하게 하기.
• 외계행성과 원환성 물질의 산산이 흩트린 빛을 탐지하기 위한 정확한 편광 측정 제공.
• 이중성계 및 태양계 천체에 대한 밀리초각 수준의 고정밀 천체측량 및 광도 측정 지원.

제안 방법

• 실시간으로 대기 난류를 보정하기 위해 변형 가능한 거울과 wavefront 센서를 사용한 적응광학 활용.
• 스토크스 매개변수(I, Q, U)를 측정하기 위해 월라스턴 프리즘과 빛 분할기를 사용한 가시광선 편광계 활용.
• 중앙 항성의 빛을 억제하고 약한 동반행성의 대비를 향상시키기 위해 코로나그래프 마스크 적용.
• 잔류 스펙클을 억제하기 위해 차별 이미징 기법(예: 각도, 스펙트럼, 편광 차별 이미징) 적용.
• 다중 파장 특성 분석을 가능하게 하기 위해 동시 다중 대역 및 좁은 대역 필터 사용.
• 탐지 한계 향상과 광도 정확도 확보를 위해 PSF 제거 및 캘리브레이션 기법 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 관측 조건 하에서 SPHERE/ZIMPOL의 wavefront 오차, Strehl 비율, PSF 안정성 성능은 어떠한가?
• RQ2 코로나그래피와 wavefront 제어를 통해 중앙 항성의 빛을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 편광 측정이 밝은 항성 근처의 약한 산산이 흩트린 빛을 가진 천체 탐지에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 PSF 중심점 추적과 기준 항성 활용으로 이중성계에 대해 밀리초각 수준의 천체측량을 달성할 수 있는가?
• RQ5 변동하는 대기 조건 하에서 고대비 광도 측정 및 편광 측정의 한계와 체계적 오차는 무엇인가?

주요 결과

• 최적 조건에서 SPHERE/ZIMPOL은 가시광선 대역에서 80% 이상의 Strehl 비율을 달성하여 회절한계 성능을 확보한다.
• 장치는 10 밀리초각 이내의 분리로 동반행성을 탐지할 수 있으며, 10–20 밀리초각 범위에서 대비 비율 10^−6 수준까지 가능하다.
• 편광 이미징을 통해 외계행성과 원환성원반의 산산이 흩트린 빛을 고감도로 탐지할 수 있다.
• 시각 및 적외선 필터 간의 광중심 차이를 밀리초각 수준으로 측정할 수 있어 이중성계의 정밀 천체측량이 가능하다.
• 타이탄(0.8" 지름)과 목성(2.4" 지름)과 같은 이동하는 태양계 천체를 고해상도로 추적하고 이미징하는 데 성공했다.
• 특히 희미하거나 확장된 구조물의 경우 신뢰할 수 있는 고대비 측정을 위해 PSF 및 wavefront 오차의 정확한 캘리브레이션과 특성 분석이 필수적이다.