可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT用観測装置の開発状況と技術課題

国立天文台ハワイ観測所・TMTプロジェクト室

臼田知史（うすだとものり）可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

次世代30ｍ超大型望遠鏡TMT
銀河の誕生と宇宙の夜明け 1.5ｍ六角鏡492枚

太陽系外の第二の地球、生命の兆侯

 建設費約1,300億円（日本の分担25%）ブラックホール、暗黒物質

暗黒エネルギー、物理定数、宇宙定数  2020年完成予定

日本国立天文台、カリフォルニア大学、カリフォルニア工科大学
カナダ天文学大学連合、中国国家天文台、インド、（米国天文学大学連合など）

2

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

地元に配慮して、すばるよりも低くなったところ

TMT
Subaru
SMA

JCMT

CSO

Keck

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4

望遠鏡の進化
岡山188cm (1960)

8.2mすばる望遠鏡 (1999)

30ｍ望遠鏡TMT (2020)

集光力~口径2 14倍
解像力~口径4倍

感度~口径4 200倍
限界24等（1987）

限界28等（2000）

限界33等（2020）＜赤方偏移２＜赤方偏移７＜赤方偏移17可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT望遠鏡概観
観測装置
補償光学

ナスミス焦点×２ヶ所のみ主鏡：f/1.0

副鏡
副鏡

ナスミス鏡

30m

ナスミス
観測装置

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TMT観測装置計画の概要(2006年)
IRMS

ファーストライトTMT観測装置計画の概要(2006年)

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装置名・主な機能

AO

波長分解能

サイエンスケース

近赤外 回折限界 分光撮像
(IRIS)：0.8~2.5mm

MCAO

2~50,~4,000

銀河形成、BH・AGN、球状星団等

広視野、可視、分光(WFOS) ：0.3~1.1mm

GLAO

300 ~5,000

高ｚ銀河間物質、高ｚ銀河分光、星の種族、化学組成など

マルチスリット、近赤外、分光(IRMS) ：0.8~2.5mm

MCAO

2,000 ~
10,000近赤外最微光天体、JWST
フォローアップ

中間赤外、エシェル分光撮像(MIRES) ：7~25mm

MIR-AO

5,000 ~
100,000

原始星キネマティクス
原始惑星系円盤最初の３つは決定

近赤外、回折限界、エシェル
視線速度によるM型星の惑星検出
5,000 ~IRIS ← Keck / OSIRISMCAO(近赤外3次元瞳分光 w/ LGSAO)
30,000(NIRES-B) ：0.8~2.5mm
高ｚ銀河間物質

WFOS ← Keck / DEIMOS (可視多天体分光w/o AO)
多天体、IFU、近赤外、分光2,000 ~
近赤外最微光天体、JWSTフォロー
MOAO
10,000アップ(IRMOS)IRMS ← Keck / MOSFIREのコピー
極限AO(PFI) ：0.8~5mm

ExAO

50 ~ 300

系外惑星直接検出(近赤外多天体スリット分光w/o AO)
局所銀河の星組成、星間物質組
30,000 ~可視エシェル(HROS) ：0.3~1.1mm－－－

近赤外回折限界エシェル(NIRES-R) ：2.5~5.5mm

MCAO

50,000

成・運動、高ｚ銀河間物質、系外惑星

5,000 ~30,000

視線速度によるM型星の惑星検出 7
高ｚ銀河間物質提案
中esign, Capabilities, Options, and Cost Estimates

TMT観測装置計画の概要(2006年)

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WFOS/MOBIE
可視多天体

NFIRAOS
狭視野AO

IRMS

NIRES

IRIS

特徴その１：大型（すばる用装置より）
IRMOS
IRMOS
WFOS/MOBIE — Bernstein

TMT.IAO.PRE.12.001.DRF01

1/28

赤外多天体特徴その２：補償光学装置（AO）と組み
WFS /MIRAO
合わせるとすばる装置並のサイズ
MIRES
23 February 2012
中間赤外8

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TMT観測装置開発の概要

第一期観測装置の開発・製作に日本から参加
IRIS（近赤外回折限界分光・撮像装置）
撮像部の設計参加（鈴木竜、臼田、小西ほか）
WFOS/MOBIE（可視広視野多天体分光・撮像装置）
カメラ部の光学設計参加（宮崎、尾崎ほか）
IRMS（近赤外多天体分光・撮像装置）
所期性能検討（東谷ほか）

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OIWFS
波面センサー（カナダHIA）
撮像モード
（日本）

第一期観測装置 :IRIS面分光モード・瞳レンズアレイ（UCLA）
・イメージスライサー（Caltech）

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入射窓

コールドストップ（Φ50 mm）

第一期観測装置:フィールドレンズ（Φ120 mm）
IRIS
コリメータレンズ（Φ120 mm）

ADC

2250 mmフィルターホイール
カメラレンズ（Φ120 mm）

カメラレンズ（Φ120 mm）

瞳撮像用レンズ
出し入れ可（Φ120 mm）
検出器(H4RG)

complexity& moving parts(Maximize:# coverage, # resolution, field, transmission)
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第一期観測装置 :MOBIE

日本：カメラ部(赤＆青)
光学系、シャッター、フィルター

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日本：カメラ部(赤＆青)
第一期観測装光学系、シャッター、フィルター
Design Overview — Optical Layout
置 :Hyper Suprime-Cam開発の経験 →MOBIE•レンズ（~Φ400 mm：CaF など）
2•シャッター、フィルター交換機構
TMT FOCAL SURFACE& MOBIE SLIT MASKRED FOLD
RED DETECTORDICHROICCOLLIMATOR(~1m x ~1.8m)

BLUE DETECTOR
RED CAMERABLUE CAMERAGRATINGSX-DISPERSION PRISMS

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第二期観測装置開発の概要

第二期装置をどう実現していくか具体的方針については未決定であるが、将来的に海外の装置検討と競争または協力が必須→ 今から十分競争力のある検討・要素開発をする必要

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

第二期観測装置開発の概要：工程TMT計画全体の工程および役割分担に大きく影響するため、第二期観測装置開発の工程は未定（注：下表は最速の想定案）
2006年のFeasibility Study（予備設計検討）以来、TMTプロ
ジェクト全体として何か進展はない。各パートナー独自R&D
2011年3月のTMT SAC（科学諮問会議）で各パートナーの優先順位を確認。可視＆赤外高分散分光器は高い評価
2011
WFOS/MOBIE
IRIS

2012

2013

CoDRPDR
PDR

CoDR

IRMS

2014

PDR

FDR

2015

2016

2017

2018

2019

2020

FDR

Test

Test

Comm

1stLight

FDR

Test

Test

w/ AO

Comm

1stLight

Test

Test

w/ AO

Comm

1stLight

Test

Test

Comm

Test

Test

Comm

Japan #1

R&D

R&D

R&D

CoDR

PDR

FDR

Japan #2

R&D

R&D

R&D

R&D

CoDR

PDR

FDR

2021

CoDR (概念設計レビュー)、PDR (構想設計レビュー)、FDR (最終設計レビュー)
Comm (据付調整)、R&D (研究開発)、プロトタイプは各設計期に実施

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TMT観測装置開発の概要

第一期観測装置の開発・製作に日本から参加
IRIS（近赤外回折限界分光・撮像装置）
撮像部の設計参加（鈴木竜、臼田、小西ほか）
WFOS/MOBIE（可視広視野多天体分光・撮像装置）
カメラ部の光学設計参加（宮崎、尾崎ほか）
IRMS（近赤外多天体分光・撮像装置）
所期性能検討（東谷ほか）
第二期観測装置を日本主導で開発・製作・供給
2008/06/30
装置計画案募集締切 → ４提案（現在５）2008/11/20
第一回TMT観測装置検討会（評価委員：岩室、高遠、児玉、臼田）。これまでに７回開催。
2010/06/26
TMT Instrument WS
2011/03/28~30 TMT Science & instruments WS
この期間プロトタイプ開発、R&DおよびTMTプロジェクト関係者および海外パートナーに進捗報告

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第二期観測装置開発の概要

MICHI：中間赤外（7~25mm）カメラ、高分散分光器、低中分散面分光装置（茨城大 岡本ほか）←TMT-MIRESを独自改良 ← すばるCOMICS, TAO
J-NIRES：近赤外高分散分光器（0.8~5.5mm）（東大 小林、京産大 池田ほか）← すばるIRCS-HRU, WINERED & IRD（イマージョン回折格子、アストロコム、ファイバなど）
J-IRMOS：MOAO付き近赤外多天体面分光装置（0.8~2.5mm）（東北大 秋山ほか）← TMT-IRMOSと独立に検討 ← RAVEN,nuMOIRCS
J-HROS：可視高分散分光器（0.3~1.1mm）（天文台 青木ほか）←TMT-HROSと独立に検討 ← すばるHDS, 岡山HIDES（ヨードセル、イメージスライサー、光ファイバ）
SEIT：地球型系外惑星撮像・面分光装置（0.8~1.7mm）（京大
松尾、JAXA 小谷、天文台 田村ほか）← すばるHiCIAO,SCExAO, IRD

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第二期観測装置開発の概要

IRMS
ＰＦＩ
ＳＥＩＴ

MICHI
NIRES-R
MIRAO

第二期装置
WFOS
(MOBIE)

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TMT用観測装置の技術課題

特徴：集光力~口径2（すばるの14倍）、解像力~口径（~4倍）、感度~口径4（~200倍）→ 遠くまで、暗いところまで、細かいところまでよく見える→ 高い波長分解能により物理測定の精度が上がる
より厳しい位置精度、光学波面精度、高い再現性
IRISの仕様：30nmの波面誤差、30マイクロ秒角の相対アス
トロメトリ（1/400ピクセルの精度で天体の位置）
低温度(数〜77K)での機械駆動、光学アライメントなど
波長較正（例: Laser Frequency Comb）、装置の温度や圧力の安定性（例: 数m3の分光器室を10-3度で管理）
高い波長分解能 → すばる級と同じ波長分解能を達成するには、より大きな光学素子が必要

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TMT用観測装置の技術課題

高い波長分解能 → すばる級と同じ波長分解能を達成するには、より大きな光学素子（レンズ、窓、鏡、大気分散補正光学系
ADC、分散素子など）が必要
主な光学素材の要求性能などは以下の通り：
要求性能値
BK7、Fused Silica、FK5など

1~2mΦ for 可視光光学素子

BaF2、CaF2、ZnS、ZnSeなど~0.5mΦ for 赤外光学素子

一様性

10E-7 for 1mΦ、60mm厚、気泡<0.05~1mm、Striae＜10nm

回折格子

VPH（＞1m）、イマージョン（Si, Ge, ZnSe等＞0.5m）

低温度下の性能

屈折率データ(dn/dT、dn/dl)

レンズ波面誤差

波面誤差<1nm、 Diff-aberration <0.075nm
for PFI & ExAO

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TMT用観測装置の技術課題

OBIE高い波長分解能
Design, Capabilities,Options, and Cost Estimates→ すばる級と同じ波長分解能を達成するには、より大きな光学素子（レンズ、窓、鏡、大気分散補正光学系
ADC、分散素子など）が必要

bandngette

ADC (1.6mΦ) for WFOS/MOBIE

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

New Technology Requirements
1.6m軸外し放物鏡（コリメーター）

HROS(2006)

エシェル回折格子（3 x 8モザイク）
1m x 3.5m、4トン2m

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT用観測装置の技術課題：AOM2補償光学(AO)により装置の小型化、単純化が可能。
→ 全ての装置を小型化する方法として、AO副鏡(AOM2)
シーイング条件下のスリットロス減尐（WFOS, HROS等）
装置内光学素子数削減で効率向上＆赤外放射率抑制（MICHI、NIRESなど）

高精度AOで可変副鏡の寄与削減（PFI、IRMOSなど）

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT用観測装置の技術課題：AOM2

MMT: AO副鏡（642mmΦ、336本アクチュエータ）shell (magnet side view) その他
LBT 8.4m x 2・911mmΦ
・672本Act・稼働中
VLT 8.1m・1100mmΦ
・1170本Act・開発中
すばる 8.2m
・検討中（岩田、大屋プレゼン）可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT用観測装置の技術課題：AOM2補償光学(AO)により装置の小型化、単純化が可能。
→ 全ての装置を小型化する方法として、AO副鏡
シーイング条件下のスリットロス減尐（WFOS, HROS等）
装置内光学素子数削減で効率向上＆赤外放射率抑制（MICHI、NIRESなど）

高精度AOで可変副鏡の寄与削減（PFI、IRMOSなど）
主なAO副鏡のスペック
直径3.64m：1枚または6 or 7枚セグメント

波長0.31~18mm（目標28mm）

材質

ULE / Zerodur vs. SiC or composite

素子数500~1200アクチュエータ

バンド幅50 Hz for MOAO、250 Hz for ExAO

ストローク40mm（目標100mm）for Tip-Tilt、10mm for 高次

鏡面精度

フラット時20nm RMS（目標10nm）
波面フィッティング誤差：250nm RMS（目標175nm)

可視赤外線観測装置技術ワークショップ（February 22-23, 2012）

TMT用観測装置の技術課題：AO

補償光学(AO)により装置の小型化、単純化が可能。
→ 全ての装置を小型化する方法として、AO副鏡
シーイング条件下のスリットロス減尐（WFOS, HROS等）
装置内光学素子数削減で効率向上＆赤外放射率抑制（MICHI、NIRESなど）

高精度AOで可変副鏡の寄与削減（PFI、IRMOSなど）
その他
高速（1kHz）・低ノイズ（<5e-）赤外波面センサー
ピラミッド型波面センサー、干渉型波面センサー（PFI等）
多素子・小型可変鏡：120x120 MEMS、Piezostack
大パワーレーザーシステム

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まとめ
TMTの観測装置計画：第一期３台、第二期以後６台以上第一期観測装置の開発・製作に日本から参加

IRIS（近赤外回折限界分光・撮像装置）
WFOS（可視広視野多天体分光・撮像装置）
第二期観測装置を日本主導で開発・製作・供給

J-NIRES（近赤外高分散分光装置
MICHI（中間赤外線分光・撮像装置）
J-IRMOS（近赤外線多天体広視野面分光装置）
J-HROS（可視高分散分光器）
SEIT（地球型系外惑星撮像分光装置）など
今後に向けて（要望）
大学や関連メーカーと協力した、重要な要素技術の検討、プロトタイプの製作、試験、性能評価への協力