[논문 리뷰] The polarimetric imaging mode of VLT/SPHERE/IRDIS II: Characterization and correction of instrumental polarization effects

R. G. van Holstein, J. H. Girard외 32명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 09. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 4인용 수 32

한 줄 요약

본 논문은 SPHERE/IRDIS의 기구적 편광에 대한 상세한 Mueller 행렬 모델을 개발하고 이를 보정하며, 원형 천이 디스크와 서브천체 동반체의 편광 연구를 가능하게 하는 높은 편광 측정 정확도를 달성하기 위한 보정 방법을 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전체 SPHERE/IRDIS 광학 시스템(망원경과 장비)에 의한 기구 편광 효과를 특성화한다.
• Y, J, H, Ks 밴드에서 기구 편광(IP) 및 크로스톡을 설명하기 위한 Mueller 행렬 모델을 개발한다.
• 내부 광원 및 무편광 별 관측을 사용하여 모델 매개변수를 보정한다.
• 과학 데이터의 기구 편광 보정을 위한 데이터 축소 방법을 만든다.
• 방법을 원형별 궤를 가진 디스크(T Cha)에 대해 시연하고 이를 자동 데이터 축소 파이프라인(IRDAP)에 통합한다.

제안 방법

• 광 경로의 다섯 구성요소 그룹(UT, M4, HWP, derotator, CI 경로)을 포함하는 상세한 Mueller 행렬 모델을 구축한다.
• 참조 프레임의 변화를 보정하기 위해 회전 행렬 T(θ) 및 Mθ = T(−θ)MT(θ)를 사용한다.
• SPHERE 내부 광원 측정 및 무편광 별 관측을 통해 모델 매개변수를 보정한다.
• 이중 차이와 이중 합량을 계산하여 기구 편광을 천체 신호로부터 분리한다.
• 현측 데이터에 보정을 적용하고 편광 정확도(목표: 절댓값 ≲0.1%, AoLP 몇 도)를 평가한다.
• 이 보정을 구현한 IRDAP 파이프라인을 공개적으로 사용 가능하도록 게시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Y, J, H, Ks 밴드에서 SPHERE/IRDIS 시스템의 기구 편광 효과는 무엇인가?
• RQ2 Mueller 행렬 모델이 IP와 크로스톡을 정확하게 설명하고 편광 측정을 보정하는 데 사용할 수 있는가?
• RQ3 보정을 적용한 후 어떤 편광 정확도(DoLP와 AoLP)를 달성할 수 있는가?
• RQ4 보정이 원형별 디스크 및 잠재적 서브천체 동반체의 측정에 어떤 개선을 가져오는가?
• RQ5 보정 방법이 자동 데이터 축소 파이프라인에 통합될 만큼 충분히 강건한가?

주요 결과

• 기구 편광은 주로 망원경과 SPHERE의 첫 번째 미러에 의해 생성되며 고도 각에 따라 달라진다.
• 크로스톡은 주로 이미지 derotator(K-미러)에 의해 유발되며 특정 방향에서 신호 손실을 유발할 수 있다.
• 보정 방법은 네 밴드 전체에서 총 편광 정확도 DoLP ≲0.1% 및 AoLP 몇 도의 selv를 달성한다.
• 하류 구성요소에서의 IP는 이중 차이 기법으로 크게 제거할 수 있는 반면, 상류 IP는 보정이 필요하다.
• 이 방법은 IRDAP에 구현되어 편광 분석을 위한 엔드-투-엔드 데이터 축축 파이프라인으로 공개적으로 이용 가능하다.
• 이를 통해 원형별 디스크와 서브천체 동반체의 편광 강도 및 AoLP를 정확히 측정할 수 있다.