[论文解读] 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 32

一句话总结

本论文开发了一个详细的 Mueller 矩阵模型来描述 SPHERE/IRDIS 的仪器极化，进行了标定，并实现了一种纠正方法，以实现对道周圆盘和亚星伴随体的高极化精度。

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.

研究动机与目标

• 表征完整的 SPHERE/IRDIS 光学系统（望远镜与仪器）的仪器极化效应。
• 开发一个 Mueller 矩阵模型来描述在 Y、J、H 和 Ks 波段中的仪器极化和串扰。
• 使用内部光源和未偏振星观测来标定模型参数。
• 创建一种数据处理方法以校正科学数据中的仪器极化。
• 在围绕恒星的盘（T Cha）上演示该方法，并将其集成到自动数据处理流水线（IRDAP）中。

提出的方法

• 构建光路的详细 Mueller 矩阵模型，包括五个组件组（UT、M4、HWP、去方位器、CI 路径）。
• 通过矩阵 T(θ) 和 Mθ = T(−θ)MT(θ) 使用旋转来描述参考系的变化。
• 利用 SPHERE 内部光源测量值和未偏振星观测来标定模型参数。
• 计算双差和双和量来将仪器极化与天体信号分离。
• 将校正应用到星上数据并评估极化精度（目标绝对值 ≲0.1%，AoLP 几度）。
• 发布实现这些校正的 IRDAP 流水线，供公众使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPHERE/IRDIS 系统在 Y、J、H、Ks 波段上的仪器极化效应是什么？
• RQ2 Mueller 矩阵模型是否能够准确描述仪器极化和串扰并用于校正极化测量？
• RQ3 在应用标定后能够达到的极化精度（DoLP 和 AoLP）是多少？
• RQ4 该校正如何提升对围绕恒星的盘以及潜在亚恒星伴星的测量？
• RQ5 该校正方法是否足够稳健，能够集成到自动数据处理流水线中？

主要发现

• 仪器极化主要由望远镜和 SPHERE 的第一镜面产生，并随高度角变化。
• 串扰主要由图像去方位器（K-镜）引起，在某些方位下会导致信号严重损失。
• 该校正方法在四个波段的 DoLP 总极化精度约≲0.1%，AoLP 达到几度。
• 下游组件产生的仪器极化可以通过双差技术在很大程度上去除，而上游 IP 需要标定。
• 该方法已在 IRDAP 中实现，作为一个自动化端到端数据降解流水线公开用于极化分析。
• 这使得对环绕星周盘和亚恒星伴星的极化强度和 AoLP 的测量更加准确。