3.8m望遠鏡用高速測光
分光装置の概要と狙うサイエンス
野上大作（京都大学）

2017/09/04(Mon)

岡山（光赤外）ユーザーズミーティング＠三鷹

○ 高速分光器＠かなた望遠鏡 全体像
サイズ：1100x600x864mm

第2ナスミス
焦点

コリメーターレンズホルダ

フィルター
分散素子

再結像レンズホルダ
CCDカメラ

光学定盤
眼視光学系斜鏡
波長較正ランプ
切替

眼視用
光学系

◎光学系：
HOWPolの(予備の)レンズ群を使用◎分散素子
・超低分散用(R～20)⇒ 2素子プリズム
・低分散用(R～150)⇒ グリズム・(低分散２(R～1000)も入れられないか検討中)◎筐体
・フィルター5種類（BVR,ロングパス2種類（L38, GG495))・波長較正用光路
・マスク/スリット3種類（丸穴φ0.9mm、スリット2種類(幅0.11, 0.20mm)）

○高速CCDカメラ
e2v社の電子増倍(EM)・背面照射型 frame transfer CCD (CCD87) を使って浜松ホトニクスと共同で開発されたEM-CCD カメラ(C9100-12)
ピクセル数
512×512ピクセルサイズ 16μm×16μm
露光時間27.1 msec～10 sec
最速frame rate 35.8 frame/sec (No-bin)
電子増倍（EM） 4 ～ 2000 (可変)カメラヘッド
真空封じ切り・ペルチェ冷却+空冷
冷却温度-50℃ （@0～30度）
読み出しノイズ 100 [e-]A/Dコンバータ 14 bit
飽和電荷量400,000 [e-]

測光観測での限界等級 20 mag ＠かなた望遠鏡(1.5m)→22mag@3.8m?
(±0.2mag, 最長の10秒露光, 電子増倍率:最小)○装置のまとめ
積分時間： 27.1ms ～ 10 sec

観測視野： 2.6’ x 2.6’ (撮像モード)(0.31”/pix)@Kanata→74.5” x 74.5”(0.15”/pix)@3.8m
2素子プリズム
グリズムマスクスリットレス（素通し）

0.2mmスリット

観測波長域

360～1000nm

430～690nm

波長分解能

6～80nm4nm

系全体の効率

最大13%

最大9%

→それぞれ２ 等
く らい深くなる※積分時間:10秒、電子増倍率:4倍（2000倍まで増倍可能）

限界等級（※）

15.7mag

12.4mag

3.8m望遠鏡用への改修へ向けて○カメラ候補浜松ホトORCA-Flash4.0 V3 CMOSカメラ(C13440-20CU)
ピクセル数
2k x 2k
ピクセルサイズ 6.5μm×6.5μm
露光時間
1 msec～10 sec
最速frame rate 100 frame/sec (No-bin)
冷却温度-30℃ （水冷）
暗電流0.006 e-/pix/s
読み出しノイズ 1.0 [e-]A/Dコンバータ 16 bit
飽和電荷量30,000 [e-]量子効率>80%＠560nm
若干量子効率は下がるが、チップサイズの拡大と読み出しノイズの低減効果あり

3.8m望遠鏡用への改修へ向けて○要求仕様
波長分解能 20(プリズム), 150(グリズム)
波長帯域 400 - 800nm
視野
良像範囲 φ5'、ケラレ無し□5'
結像性能 1"スリット
幅2"×長さ10"以上
交換素子
スリット
フィルタ

スルー, 2"スリット
V, R, I, 2次光カット(干渉フィルタなので入射角に注意)
分散素子 スルー, R20, R150

3.8m望遠鏡用への改修へ向けて○光学設計
小型装置スロット２つ分を端から端まで使用。
現在、川端さん＠広島大にレンズや各素子の許容公差の見積もりを依頼中。

どうも来年度後期の共同利用には間に合わない雲行きです。申し訳ありません。開発を手伝ってもいいよ、という方は是非ご連絡下さい。
m(_ _)m番外：可視光分散分光器は今年度も引き続き、柴田さん代表で科研費・特別推進を申請予定です。
観測装置のスペック
波長分解能100,000

観測波長360-1,050 nm

システム効率20%

温度安定性0.1 ℃

限界等級（1時間積分）

13等(S/N=50)

ファイバー数と直径0”.45×12本

速いことはよいことだ！

Kepler衛星の1分cadenceのデータと３０分cadenceのデータの比較。タイムスケールの短い現象の観測には、短時間でのデータ取得が必須。

高速観測で拓くサイエンス• 恒星フレア• コンパクト天体周囲での高速変動現象（最短数１０ms?）• 重力波天体の光学観測？
• Fast Radio Burst対応天体？
• パルサー？
• 掩蔽観測？
• 系外惑星トランジット？
• 白色矮星の振動？
• 他に面白い現象をご存知の方は教えて下さい！

Science I: 恒星フレア○星の明るさが短時間だけ突発的に増光する現象

ΔU magnitude• 可視連続光やHα輝線、UV・X線などでも、増光• 従来はM型星(増光割合が大きい)や原始星(フレア発生頻度高い)がよく研究されてきた速い増光と遅い減光

連続光増光＋Balmer輝線

時間[hours]
図: dM4.5e星YZ CMiでのフレア(Kowalski+2010)

赤線: 10,000K黒体放射
紫線: 静穏期スペクトル©野津湧太

M型星EV Lacのフレアの高速分光（蔵本哲也2013年修論）
かなた望遠鏡（R～２０；１秒露出）

かなた望遠鏡に同架の25cm望遠鏡でのフレア星EV LacのBバンド観測(左)と高速分光で捉えられたスペクトルの変化(右)。フレアは振幅0.5等、継続時間～６分。スペクトルでは青側が主に増光していることがわかる。

増光分を黒体放射でfittingして求めた温度(左)と増光した部分の面積(右)。星表面の0.04%程度の面積が10000K程度まで温度が上がった！

Science II：ブラックホール近傍現象
V404 Cygの2015年のアウトバースト時のULTRACAM/WHT
による高速測光の結果(Gandhi et al. 2016)

横軸の端から端まで100秒

横軸の端から端まで10秒r’で24msec露出

V404 Cyg の2015年のアウトバースト
Kimura et al. 2016, Nature
上の４つが可視光の光度曲線、18日•

期間：およそ18日•

可視光、X線の光度曲線が互いによく似ている。
1.2時間

等級

可視光の明るさ(等級)下の二つがX線の光度曲線

X線の明るさ(対数)アウトバーストが始まってからの日数19↑台湾とロシアのチームの協力による、開始3分後から数時間後までの可視光の光度曲線

アウトバーストの最初から最後まで、激しい短時間変動が見えた！

©木邑真理子等級

BHXB V404 Cygで見られた規則的な変動••

ゆっくり増光したのち、急に光度が落ち込むという変動が続く。増光中は光度が変動する。
タイムスケール：45分〜2.5時間程度

振幅の小さい短時間変動が続く。
• タイムスケール：5分程度•

ブラックホールごく近傍での振動現象が初めて可視光で捉えられた！
X線変動に対して1分の可視光の遅れから、disk 外側でのreprocessか？

26年ぶりのアウトバーストの後、わずか6ヶ月で再度アウトバース
トが！(Kimura et al., submitted)

ややエネルギー的に小さいが、前回と似た光度曲線(左)と短時間変動(上)30~50秒程度のX線変動の遅れ→disk内での変動＋accretion flow?

高速分光のプロファイルの変化が鍵？

まとめ•広島大学東広島天文台のかなた望遠鏡に取り付けられている高速測光分光器の分光素子を活かし、コンパクトにして3.8m望遠鏡の小型観測装置スロット２つ分に押し込む予定。
•性能としてはほぼ踏襲する。

•来年度後期の最初の共同利用に供することは難しそう。
•コンパクト天体周囲の超強重力場での変動現象が、可視光で捉えられる。X線との共同観測が鍵。Tomo-eサーベイでX線連星のアウトバーストの検出→3.8m即時高速測光／分光とか。
•短いタイムスケール(秒～分程度のオーダー)の変動現象にはなんでも威力を発揮する。→恒星フレア、重力波天体？、FRB？、パルサー？、掩蔽観測、系外惑星transitなどなど？
•単純な撮像装置、低分散分光器として普通に使えるように。