[论文解读] 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 24

一句话总结

本文介绍了甚大望远镜/SPHERE/IRDIS的偏振成像模式，详细阐述了其光学设计、数据 reduction技术以及最佳观测策略。研究结果表明，仪器引起的偏振效应——尤其是串扰和偏振角偏移——会显著降低偏振效率，但通过基于模型的方法可有效校正这些效应，从而实现对原行星盘的高对比度偏振成像，偏振对比度可达到10⁻⁶–10⁻⁷，分离度为0.4"。

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.

研究动机与目标

• 表征甚大望远镜/SPHERE/IRDIS偏振成像模式的特性，包括其光学设计和仪器限制。
• 识别并量化影响偏振效率的仪器偏振效应，如串扰和偏振角偏移。
• 开发并验证一种基于模型的仪器偏振校正方法，以恢复散射光的真实偏振状态。
• 优化观测策略，特别是在指向跟踪模式下，以最小化因导星镜角度配置导致的性能下降。
• 建议在未来的观测中使用IRDAP软件包结合基于模型的校正方法，以实现高保真度的数据还原。

提出的方法

• 本研究利用TW Hydrae在H波段的观测数据，分析在不同仪器配置下的偏振性能。
• 对比两种数据还原方法：(1) 最小化噪声图像（Uϕ），以及(2) 在论文II中开发的基于模型的校正方法，用于补偿仪器偏振效应。
• 基于模型的校正方法通过建模仪器对斯托克斯参数Q和U的响应，来处理串扰和偏振角偏移。
• 通过测量不同指向配置下偏振强度和位置角的变化，量化仪器偏振效应。
• 在不同波段（Y、J、H、Ks）下评估偏振模式的性能，揭示其对导星镜角度和波段特异性效率的强依赖性。
• 推荐使用IRDAP软件包进行在轨数据还原，集成基于模型的校正以提高信号保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 串扰和偏振角偏移等仪器偏振效应在不同观测配置下如何影响SPHERE/IRDIS的偏振效率？
• RQ2 在指向跟踪模式下，导星镜角度的选择在多大程度上影响IRDIS的偏振性能？
• RQ3 基于模型的校正方法能否有效消除仪器偏振伪影并恢复原行星物质光的真实偏振状态？
• RQ4 在亚角秒分离距离下，SPHERE/IRDIS的偏振对比度与GPI和NACO等其他高对比度偏振仪器相比如何？
• RQ5 哪些观测策略能够最大化SPHERE/IRDIS双光束偏振模式下的偏振效率并最小化信号损失？

主要发现

• 当使用不利的导星镜角度观测时，H波段和Ks波段的偏振效率最低可降至约5%。
• H波段中观察到高达约30°的偏振角偏移，Ks波段中进一步增加，主要由串扰和光路错位引起。
• 基于模型的校正方法成功解释并消除了偏振强度和位置角的变化，实现了真实偏振信号的准确重建。
• 在0.4"分离距离下实现了10⁻⁶至10⁻⁷的偏振对比度，与GPI相当，优于NACO在亚角秒分离距离下的表现。
• J波段的偏振效率保持在89%以上，Y波段为54%，表明在较短波长下性能更优。
• 集成基于模型校正的IRDAP软件包对于最优数据还原至关重要，能显著提升偏振测量的保真度。