京都3.8m望遠鏡における	  極限補償光学の開発	
松尾太郎、SEITメンバ他	

検出からキャラクタリゼーションへ	 将来の系外惑星研究における究極的目標は、「地球型惑星のキャラクタリゼーション」。	  

2x木星	
惑星半径	

• Kepler衛星により惑星表層に「液体の水」を有する可能性のある惑星が数十個発見されている。	  
地球型惑星は豊富に存在	  Habitable	  Zone	

Habitable	  planets	  ?	

木星	海王星	
地球	Kepler惑星の推定温度（K）	
Kepler衛星によって発見された	  惑星候補の半径と推定温度	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  （Boroucki	  et	  al.	  2011）	
2	

惑星を直接「見る」ことで得られるもの	
• 惑星からの光の観測で惑星の大気や表層を探ることができる。	  
-­‐ 惑星大気の組成	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  環境（CO2,	  H2O）、	  生命の痕跡（酸素）	  -­‐ 惑星の表層	  表層の組成（植物、雲、海、陸）	  -­‐	  	  温度 	  かぐやから見た地球	  (Jaxaより)	

3	

TMTで地球型惑星を狙えるか?	

主星-惑星コントラスト	

10 -7	

MKGF!

10 -8	

10 -9	

10 -10	

10 -11	

1時間の検出限界	

1.27um	  酸素吸収線検出S/N	  ○	  	  	  TMTは地球型惑星探査の直接観測できる最初の機会である。	  
○ K、M型星の周りの惑星の大気分光から酸素の吸収線の検出が可能。	  

距離	  [pc]	  0.1	
0.01	
1.0	
5時間積分での1.27um酸素吸収線検出のS/N	  4	主星からの離角 [秒角]	
Kawahara	  et	  al.	  2012;	  Crossﬁeld	  2012	  	仕様要求	
ハワイから観測できる近傍星周りの	  Habitable	  Zoneの地球型惑星を想定	  1λ/D	
2λ/D	

コントラスト	

10 -7	
○	  主要観測バンド	  Jでの	  要求コントラスト(5σ)	  	  	  	  	  8x10-­‐8	  乗	  @	  1λ/D	  (8mas)	  10 -8		  	  	  	  	   2x10-­‐8	  乗	  @	  2λ/D	  (16mas)	  回折限界での高いコントラスト 	  	  	  	   10 -9	

新しい要素開発が必須	

10 -10	 酸素吸収線検出		  2.	  	  IWAの4倍の改善	  S/N	  >10	  (5時間)		  -­‐>	  主星超近傍	

10 -11	

0.1	
0.01	
角距離[arcsec]	

MK
G1.0	

地球型惑星発見のために必要な角距離・コントラスト	
Kawahara	  et	  al.	  (2012);	  Crossﬁeld	  (2013)	  実現までのシナリオ	
2012-­‐2014	

2016-­‐2019	2019-­‐	

実験室  京大3.8m望遠鏡	   	  TMT	  	目標：2025年のファーストライトを目指す	

なぜ京大3.8m望遠鏡か？	  
1. 分割式望遠鏡	  	  	  	  	  	  	  分割式望遠鏡での世界初の超高コントラストの実証。	  
2.	  	  	  望遠鏡時間	  新しい要素技術を有する装置立ち上げには充分な時間が必要。	  
6	

現AOを30m望遠鏡へ適用すると・・・	
30m望遠鏡版	
AO188/HiCIAO	  8m望遠鏡SEEDS観測	

10 -7	

主星は10等程度	

外挿	0”.3	 外側は感度で決定	
（外挿の仕方は	  後ほど）	
様々な恒星周りでの	  AO188/HiCIAOの検出限界	  (1σ)	
(山本他	  2013)	

コントラスト	

4桁	

10 -8	

10 -9	
10 -10	10 -11	

ハワイから観測可能な、	  Habitable	  zoneにある地球型	  系外惑星のコントラスト・離角分布	

0.1	
0.01	
角距離[arcsec]	

地球型系外惑星の直接観測は難しい・・・	

1.0	

現AOは何が問題か？	
風速 v	  (m/s)	

時	  系	  列	

主鏡	補償光学系の概念図	○	  波面計測と補償のタイミングのずれ	  ○	  	  計測波長と観測波長のずれ	  PSFコントラスト(1σ)	

装置設計	

104	
大気による色収差	
106	

時間遅れ	

• 主星からの散乱光の要因は、	  Photon	  noise	  limit	
-­‐ 制御の時間遅れ	  108	-­‐ 色収差	  0.01	
1.0	
0.1	
角距離	  (秒角)	
（補償光学系のセンサ波長は可視光	  大気補償光学＋コロナグラフ後のコントラスト	  観測波長は近赤外線）	  (e.g.,	  Verinaud+	  2008;	  Kasper+	  SPIE	  2012)	

• 内側の惑星探査に特化した	  	  	  	  	  	  新技術が必要！	  
• 鍵は、	  -­‐ 「計測・補償の高速化」、	  狙う領域	
-­‐ 「イメージング波長での計測・補償」	
GPIのシミュレーション図	
hcp://planeemager.org	

装置設計	
環境（恒温槽、除振台）	
Imaging波長	  (Jバンド)での波面計測	  	  	  	  	  色収差による低次高速波面補償	
低次AO	

高次AO	

コロナ	  グラフ	

可視光(0.6-­‐0.9um)での波面計測	  高次波面収差の超高速波面補償	  	  	  	  瞳面センサ	  焦点面センサ	  低次AO:	  低次（空間スケールの大きい）の波面エラーを補償するシステム	  高次AO:	  高次（空間スケールの小さい）の波面エラーを補償するシステム	各項目の仕様要求	
• 仕様要求：	  4x10の-­‐6乗	  @	  1λ/D	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  1x10の-­‐6乗	  @	  2λ/D	  	  項目	

仕様要求	

低次波面センサ・補償	

1kHzサンプリング	  	  =>	  波面残差 200nm	  (S~	  0.3@J)	

高次波面センサ・補償	

5kHzサンプリング	  =>	  波面残差 30nm	  	  (S~	  0.9@J)	  	コロナグラフ	

コントラスト 10の6乗@1λ/D	

瞳再配置	

ポストプロセス	  10の6乗 	

焦点面計測	

リアルタイム補償	  10の6乗 	

恒温槽	

1時間あたりの温度揺らぎ	  10mK	2012	  岡山UM	
環境（恒温槽・除振） 	

焦点面センサ	

瞳センサ	

コロナグラフ	高次 AO波面補償	

高次 AO波面センサ	

低次 AO波面補償	

低次 AO波面センサ	
調査・仕様	
概念設計	
要素検証	
仕様検証	
PDR	
詳細設計
実機製作	

調査・仕様：	  方式の調査、仕様要求設定	  概念設計：	  方式の概念設計	  要素検証：	  数値計算・実験により方式の	  要素検証	  仕様検証：	  要求仕様に対する方式の	  検証	  PDR:	  	  	  	  	  	  	  	  外部委員による評価	  仕様要求を満たせば	  PDRへ進む。	
PDRをクリアすれば	  実機へ搭載。	
12	

プロジェクト進行	
環境（恒温槽・除振） 	
焦点面センサ	
瞳センサ	
コロナグラフ	高次 AO波面補償	
高次 AO波面センサ	
低次 AO波面補償	
低次 AO波面センサ	
調査・仕様	
概念設計	
要素検証	
仕様検証	
PDR	
詳細設計
実機製作	

13	

体制	
• 日本からは25名の研究者・大学院生が参加。	  
• アメリカの高コントラストグループと共同提案で合意。2016年にTMTへ提案書を提出。	  
• 技術的交流の活発化。	
TMT	  高コントラスト	  Working	  Group	  (名前は検討中)	
提案代表者:	  松尾太郎	  サイエンスWG	

極限補償光学	  コロナグラフ	  検出器	  河原創	  (東京大学)	  	Bruce	  Macintosh	  （スタンフォード）	

小谷隆行	  （国立天文台）	

Ben	  Mazin	  （UC	  サンタ	  バーバラ）	

実装の計画	• 方針：モジュールごとに装置を組み上げる。	  
恒温槽はモジュールごとに設計中（日本スピンドル社）。	  
• FY2013-­‐2015	  	  -­‐	  	  室内実験、実機組み上げ	  • FY2016前半	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  極限補償光学のファーストライト	  • FY2016後半	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  極限補償光学+コロナグラフ	  	  	  	  	  	  • FY:	  2017	  -­‐	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  瞳再配置モジュールとの組み合わせ	  • FY:	  2018	  –	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  焦点面センサモジュールとの組み合わせ	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  Kineec	  Inductance	  Detector	  (MKIDs)のテスト 	  	  	  	  	  	  	  極限補償光学系	

制御	

制御	

計測	

制御	

計測	

補償光学実験	○	  低次波面計測・補償の実験：	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Shack-­‐Hartmann波面センサ ＋	  Tip/Tilt,	  88素子可変形鏡	  ○	  計測： 300Hzサンプリング	  (=>	  1kHzサンプリング目標)	  ○	  制御	  :	  Tip/Tilt	  (BW:	  100Hz)	  ,	  Woofer	  DM	  (BW:	  1kHz)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  （PID	  コントロール）	  光学実験の概念図	

光学実験の様子	結果	• 大気位相板を回した状態（風速6m/s）においてシュトレール比0.3を達成。	

Shack-­‐Hartmann	  Wavefront	  Sensor	

Science	  camera	まとめ	• 本実験は、地球型系外惑星の直接観測につながる重要なプロジェクト。	  
• FY2016に極限補償光学のファーストライト目標。	  
• 極限補償光学は、すばる/IRDの高分散（R~100,000）・小型化が可能。