[论文解读] 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 4

一句话总结

本文介绍了SPHERE/ZIMPOL高分辨率偏振成像仪，这是欧洲南方天文台甚大望远镜上的一台可见光自适应光学仪器，专为系外行星和原恒星环境的高对比度成像而设计。该仪器通过精确的波前控制、日冕仪技术和偏振测量，实现了衍射受限性能，能够检测到角距离小至10毫角秒的微弱伴星，并实现毫角秒级精度的测光与天体测量。

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.

研究动机与目标

• 提供SPHERE/ZIMPOL仪器在高对比度可见光成像方面的综合系统概述。
• 在各种观测条件下表征点扩散函数（PSF）和波前误差性能。
• 通过先进的波前校正技术，实现在明亮恒星附近对微弱伴星的日冕仪成像。
• 提供精确的偏振测量，以检测系外行星和原恒星物质的散射光。
• 支持双星系统和太阳系天体在毫角秒量级的高精度天体测量与测光。

提出的方法

• 利用自适应光学系统，通过形变镜和波前传感器实时校正大气湍流。
• 采用可见光偏振计，结合沃拉斯顿棱镜和光束分离器，测量斯托克斯参数（I, Q, U）以实现偏振成像。
• 应用日冕仪掩模以抑制中心恒星的光，提高微弱伴星的对比度。
• 采用差分成像技术（如角差分、谱差分和偏振差分成像）以抑制残留光斑。
• 使用同时的宽波段和窄波段滤光片，实现对目标的多波段表征。
• 应用PSF减除与校准技术，以提高探测极限并确保测光准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实观测条件下，SPHERE/ZIMPOL在波前误差、斯特雷尔比和PSF稳定性方面的性能如何？
• RQ2 该仪器通过日冕仪和波前控制技术，对中心恒星光线的抑制效果如何？
• RQ3 偏振测量在检测明亮恒星附近微弱散射光源方面能提升多大程度？
• RQ4 能否通过PSF质心定位与参考星方法，实现双星系统在毫角秒量级的天体测量？
• RQ5 在大气条件变化的情况下，高对比度测光与偏振测量的局限性和系统误差是什么？

主要发现

• 在理想条件下，SPHERE/ZIMPOL在可见光波段实现了衍射受限性能，斯特雷尔比超过80%。
• 该仪器可检测到角距离小至10毫角秒的伴星，对比度可达10^−6（在10–20毫角秒范围内）。
• 偏振成像技术可高灵敏度检测到系外行星和原恒星盘的散射光。
• 可在毫角秒量级测量视觉波段与红光波段之间的光心差异，从而实现双星系统的精确天体测量。
• 该系统成功跟踪并高分辨率成像了移动的太阳系天体，如土卫六（直径0.8"）和海王星（直径2.4"）。
• 对PSF和波前误差进行精确校准与表征，对于可靠地进行高对比度测量至关重要，尤其在观测微弱或扩展源时。