光赤天連シンポ 2008/8/21

TMT 近赤外高分散分光器の提案
ー可視レベルの高精度分光に向けてー
Near-infrared
High-Resolution Spectroscopy
for Ground-based Astronomy
東大天文センター
小林 尚人
フォトコーディング
池田 優二

内容
1. 赤外線天文学の次のテーマ・・・ 高分散
2. デバイスの開発から immersion grating
3. 現在先行中のプロトタイプ開発
Short NIR (0.9-1.4um) WINERED タイプ
Long NIR (1.4-5.5um) IRCS-HRU タイプ

4. TMT 装置へ まずはそのままスケールアップ
5. タイムフレーム・予算 アウトライン

1. 赤外線天文学の次のテーマ・・・「赤外線高分散分光」 （１）意義✔最も高度な物理化学情報をもたらす手法
高空間分解能 ‥ AO ですでに 0.1” の世界に
高時間分解能 ‥特殊な天体に限られる
高波長分解能（高分散）✔可視高分散分光の大きな発展 ー過去 1 ０年ー●

天文学全体への大きなインパクト➢系外惑星ドップラーサーチ 系外惑星の発見➢星 zero 金属量星➢星の化学組成、運動 銀河化学動力学 chemodynamics➢星間物質、銀河間物質 クェーサー吸収線系

１ . 赤外線天文学の次のテーマ・・・「赤外線高分散分光」 （２）意義✔赤外線は高分散では未開拓

近赤外線（ 1-5.5um ）、中間赤外線（ 5-30um ）● 星、星間物質ともに多数のライン● 可視高分散クラス、それ以上の大きなインパクトが● しかし、可視レベルの感度や安定度の向上が必要●

NIR HR Spectrograph at PresentＨＤＳ

Optical 300­900 nm(λ/∆λ)max ＞ 80,000
already working as workhorse
at 8m­class telescopes
e.g., Keck/HIRES, VLT/UVES, Subaru/HDS

ＩＲＣＳNear­infrared 900nm~5.5um
KeckII/NIRSPEC
R= 23,000
SUBARU/IRCS
R= 20,000
Gemini-S/GNIRS
R= 18,000
Gemini-S/Pheonix
R= 75,000 @ 0.18” slit
CRIRES/VLT
R=100,000 @ 0.30” slit (2006-)
Limited to λ/∆λ < 20,000­50,000
because “large” cryogenic optics are required//分解能 5 万が速度コンポーネントの分解に重要

Ｒ＝ ２００００
SUBARU IRCS

Ｒ＝ ７５０００
Gemini Phoenix

Ｒ＝１０００００
VLT CRIRES

Goto, M.

Kinematics
w/ NIR High-resolution Spectroscopy
Ex. Echelle Spectrum of a dying star (planetary nebulae)Blue­shiftRed­shift

VLT CRIRES
R=100,000(Kaufl et al. 2006)

１ . 赤外線天文学の次のテーマ・・・「赤外線高分散分光」
幅広い分野への波及効果
天文学

近赤外

太陽系天体（組成）系外惑星（組成、運動）星（組成、運動）
星間物質（組成、運動）星形成（星周物質組成、運動）晩期型星（組成、運動）
銀河中心核の運動（運動）銀河間物質（組成、運動）

宇宙再電離期（組成、運動）
宇宙膨張直接測定
物理定数測定物理学

天文学全分野中間赤外Astrochemistry ( 星間分子）
Astro-biology ( バイオマーカー）

化学、生物学

１ . 赤外線天文学の次のテーマ・・・「赤外線高分散分光」（３）次世代の近赤外高分散分光器の開発✔次世代の facility で最も大きな「質的」飛躍が巨大望遠鏡の時代‥必要な大集光力が得られるチャンス● 非常に大きなインパクトが今後１０年で期待できる● 経験と実績による大きな advantage あり→ 今後 10 年をリードできる●●

課題は”サイズ”と（集光力まかせではない）”高感度”「地上大型」TMT ３０ m(US, Can, JPN) 国立天文台「上空大型」SPICA3.5m (JPN, EU, US) 宇宙研 /JAXA

２．デバイスの開発からイマージョングレーティング
Spectral resolution of Echelle Spectrograph

R=λ/∆λ = 2 nφ tanθ / sD
✔装置サイズを 1/n へイマージョン回折格子
θ●超巨大望遠鏡の赤外高分散・（冷却するには）巨大すぎる・赤外線結晶 n=2-4n✔高効率グレーティング●高効率で天文のフロンティアへ
・高分散分光器の一般的効率： 10%→ 目標 20%・口径で 2 倍のゲイン（８ m は 16m 望遠鏡に４ m が 8m 望遠鏡に）＃ だらしなく望遠鏡の口径にだけ頼る必要はない

Material Candidates for NIR Immersion

Ge (n=4.0)
Si (n=3.4)
GaAs (n=3.4)
CdTe (n=2.6)
ZnSe (n=2.4)

IV

II-VI

ZnS (n=2.3)
atomic lines
molecular lines
1235WINERED­type IRCS­HRU ­type10

203040um

２．デバイスの開発から

近赤外線高分散デバイスの開発（ 2003- 東京大学）（１） 実績 その１✔高精度 Si イマージョングレーティング●波長 1.4-5.5um 、 n=3.4●相対回折効率 90% を達成（世界記録） Ikeda+2008
ー Ion-beam etching w/NTT-AT N
ー 世界の他グループ (Texas/Florida/Italy/...) 70% max
プロトタイプ装置●すばる IRCS 高分散アップグレード Terada+2008
波長：長波長近赤外 (1.4um-) 分解能 2 万→７万
目的：地球型惑星ドップラー探査（赤外で明るい低質量星対象）
ー 将来の 30m 望遠鏡用のプロトタイプとして現在進行中

２．デバイスの開発から

近赤外線高分散デバイスの開発（ 2003- 東京大学）（ 2 ） 実績 その２✔高精度 ZnSe イマージョングレーティング●0.9-12um 用（近赤外から中間赤外）、 n=2.4●精密切削による初の高効率デバイス製作 Ikeda+2008
ー 精密切削 w/LLNL
ー 効率 75% 達成 ( 初の切削実用化イマージョン )プロトタイプ装置●近赤外高分散分光器 WINERED Ikeda+2006, Yasui+2008
波長： 短波長近赤外 (0.9-1.3um)
目的： high-z クェーサ /GRB 吸収線系 （宇宙再電離期分光）ー 将来の 30m 望遠鏡用のプロトタイプとして現在進行中●SPICA 中間赤外高分散分光器

Kobayashi+2008

２ . 現在先行中のプロトタイプ開発 (2005-)
国立天文台 / 東大
東京大学

WINERED（ 0.9 ～ 1.4um ）R ＝ 3-10 万
ZnSe immersion

Subaru IRCS upgrade(1.4 ～ 5.5um)
R ＝７万
Si immersion

相補的に近中間赤外全波長を高分散で観測可能なシステムを目指す

東京大学

SPICA/high res.spec(4.0 ～ 20um)
R ＝３万123TMT 装置へ

510203040μm

ShortNIR (0.9-1.4um)
WINERED ＠東京大学

Warm INfrared Echelle spectrographwith high Resolution and high Efficiency Devices● 文字通り「ニッチ」な

Immersion grating (R=100,000)

Normal grating (R=30,000)波長域で高感度、かつ、未開拓● サイエンティフィックに極めて“ Sweet Spot”☆ 地球型惑星探査☆ 星吸収線☆QSO/GRB 吸収線系
Yasui+ 2006, SPIEWINERED Outline
Spec. ✔Rmax = 100,000✔Throughput > 25 %✔Portable PI instrumentApproach••Warm optics λ0.9 － 1.35µmZnSe immersion grating

1mIkeda+ 2006, SPIE

Preliminary first light (2008.5)

VPH
CameraMUXNormal Echelle(R=30000)

Slit
Collimator

Yasui, Kondo, Ikeda+ 2008

Preliminary first light (2008.5)
可視スペクトル （ R=30,000 ） w/MUX
λ6200A

m=80

7000A

m=75

8000A

mx=2

mx=1

m=90

Yasui, Kondo, Ikeda+ 2008

LongNIR (1.4-5.5um)
IRCS-HRU 新高分散分光ユニット ＠天文台、東大
波長分解能 20000 → 70000 ： 地球型惑星検出に特化
光学概念設計終了
コンパクト （ < 500mm ）X-dispersergrating→ From I
RCS

Si immersion grating
Orion 2kx2k InSb

検出器既取得IRCS に微小な変更
メインデュワーへ付設
Terada+ 2008, SPIE

赤外高分散 activity やそのサイエンスに興味のある方はぜひ議論、共同研究、、、なんでも（チームとしては開発に専念したい）

波長の切り分け方□Short NIR (0.9-1.4um) WINERED タイプ
Cosmology 対応
非冷却型 （→可視と一緒にできる？）
cf. ZnSe は可視（赤）も使えそう□Long NIR (1.4-5.5um) IRCS-HRU タイプ
Galactic 対応
冷却型

４． TMT 装置へ
 Short NIR (0.9-1.4um)

WINERED タイプ → NIRES-B ポート✔ 光学設計はそのまま踏襲できる✔ F/15 D=30m スリット巾が小さく (0”.1 程度）なるだけ✔ AO が効くかが問題

 Long NIR(1.4-5.5um)

HRU-IRCS タイプ → NIRES-R ポート？
✔ 光学設計はそのまま踏襲できる✔ F/15 D=30m✔ AO が必須

５．タイムフレーム・予算 アウトライン
 タイムフレーム✔ ２００５ー Phase0 一般要素技術／一般プロトタイプ✔ ２００９ー PhaseA 要素技術／プロトタイプ
2009.12 TMT へ提案✔ ２０１１ー PhaseB 概算／製作開始✔ ２０１６ . １２ ? TMT ファーストライト✔ ２０１７ー PhaseC 立ち上げ
✔ ２０１８？
TMT 近赤外高分散ファーストライト* PhaseB 以降は大学にはかなり長いタイムスケール

 予算✔ PhaseA ~ １億
✔ PhaseB ~ ５ー１０億（ ~50 man*year? ）「赤外線高分散分光」 タイムプラン
大型望遠鏡時代 すばる
２００８
デバイス開発

２０１０

巨大望遠鏡時代 TMT, SPICA
２０１５

２０１７

２０２０

イマージョン (Si, ZnSe, 他）

プロトタイプ
分光器
WINERED
IRCS-HRU

プロトタイプによる観測研究＠広島→＠ WHT→ ＠ KeckPhaseA

PhaseB

PhaseC

TMT
SPICA

本番赤外線高分散分光器
TMT ー NIRESSPICA-HIRES

立ち上げ

定常運営

書き入れ時

観測研究＠ TMT
＠ SPICA

充実期

(質疑応答 — Q:質問, A:回答, C:コメント — 氏名無しは発表者の発言, 敬称略)
(Q) E-ELT の目標に挙げられていた宇宙膨張の直接測定に使える？ (土居)(A) E-ELT は口径 40m 強、TMT は口径 30m なので難しいかも知れない。しかし検出器の効率を向上させることで口径を大きくするのと同様の効果は得られる。
(Q) イマージョン・グレーティングは、装置が大型化すると大きな材料が必要になると思うが、その見通しはあるのか？場合によっては通常の大型グレーティングの方が良い可能性はないか？ (本原)(A) ＡＯを使うと観測装置全体をコンパクトにできる。しかし実際には VLT の CRIRES など大型のグレーティン
グで高い波長分解能を達成している装置も実存しているので、今後、巨大なグレーティングに戻ることもあり得る。
(C) 巨大なグレーティングはいろいろと問題を引き起こすので、口径が同じなら、イマージョン・グレーティングの方が良い。 (海老塚)