テラヘルツ干渉計
南極からスペースへ-­超高角度分解能テラヘルツ天文学-­
松尾 宏
国立天文台・先端技術センター

IRAS,  ISO,  AKARI,  HSOl All sky survey by IRAS
– Debris disk of α Lyr– Ultra Luminous IR Galaxiesl FIR spectroscopy by ISO– PDR by [CII] and [OI]
– PAH featurel All sky survey by AKARI– Deeper, finer, wider than IRASl Deep survey and spectroscopy by HSO

AKARI  FIR  Bright  Source  Catalogue
105

Number  of  Sources

104
103
102
101
100
0.01                    0.1                        1                          10                    100                1000              10000

Flux  Density  [Jy]AKARI-­FIS  Bright  Source  Catalogue
Yamamura  et  al.  (2010)

THz  Gap  of  Spatial  Resolution

AKARI
SOFIA
Herschel
SPICA

THz
gap

Original  from  W.Wild

Structure  of  a  protoplanetary disk
Dullemond and  Monnier (2010)

Scales  are  for  Taurus  and  Auriga region

Structure  of  an  AGN1-­10  arcsec~0.01  arcsec~0.001  arcsec
Angular  Scales  for  16  MpcSuch  as  NGC1068  ~0.1  arcsec

Urry and  Padovani (1995)テラヘルツ干渉計を宇宙へ！
l 大気の制限なし
l 基線長の制限なしl 直接検出器による超高感度干渉計l 雑音温度 10 mK、帯域幅 1 THz の干渉計l テラヘルツ波で 1000 km 以上の基線

周波数 2 THz  帯域幅 1  THzで感度比較
l ヘテロダイン受信機の量子限界

NEPcoherent > hν B [W s ]≈ 1× 10−15[W s ]l 直接検出器の限界（背景放射限界）

NEPdirect > hν n [W s ]≈ 5 × 10−19[W s ]

Space  THz  Interferometer
The  Road  MapSPECSSPIRIT
FIRI/ESPRITSPICA
Millimetron
AKARI
HerschelSpitzer

Hanbury-­Brown  and  Twiss
強度干渉計l 直接検出器– 高電子増倍管l 位相揺らぎに強い– 安定な相互相関l 超長基線が可能– 高角度分解能
Hanbury-­Brown  et  al.  (1974)

光子計数型テラヘルツ干渉計
Photon  Counting  THz  Interferometry
Matsuo,  JLTP  (2012)l テラヘルツ帯での光子バンチ測定– 高い干渉効率 (輝度温度100 K以上)l 光子バンチを用いた遅延時間測定– 複素ビジビリティーの取得

THz  Photons  are  bunched  !

太陽電波による強度干渉計実験
Ezawa,  Matsuo  et  al.  (2015)
野辺山電波ヘリオグラフ
80 cm  antennas 16台を用いる
HEMT受信機 Trx =  360  K
RF17  GHzIF      200  MHzBW100  MHz

横河電機DLM4000
2x  8ch  1.25  G  sample/sec帯域幅 500  MHz16chの中間周波信号
50  msecの連続データ記録

野辺山電波ヘリオグラフ(17GHz)を用いた相互相関の例
振幅相関

遅延強度相関相関強度Ezawa,  Matsuo  et  al.  (2015)

遅延時間の時間変化
最短基線での平均値

地球回転による遅延量と一致！

残差 10 psec（rms） 以下Ezawa,  Matsuo  et  al.  (2015)

強度相関型干渉計の特徴
l 直接検出器による高感度観測– 受信機量子雑音がない広帯域検出器l 位相揺らぎの影響を受けない– 相関時間は帯域幅で決まる（τ ~ 1/Δν）

l 独立した望遠鏡による干渉計観測– VLBIと同様に超長基線観測が可能

Application  of  VLBI  technology
Photon  Counters    Atomic  clocks
RecordersRecorderB  >  1GHz

RecorderB  >  1GHz

Calculate  correlation  and  delay

Dome_A_winter_75um
1‘am’ calculation

Transmittance[OIII] 52um

[NIII] 57um

[OI] 63um[OIII] 88um

0.6

[NII] 122um[OI] 145um[CII] 158um[NII] 205um

0.80.40.2001000

2000

3000

4000

5000

Frequency [GHz]

6000

7000

8000

南極テラヘルツ干渉計の感度
口径50cm  2素子での見積もりl [OIII] 88 µm, 52 µm 大質量星形成領域– アンテナ温度 100K, B = 30 MHz → 2×10-14 W– NEP ~ 1×10-17 W/Hz0.5– 約 1 photon/bunch, S/N ~ η・0.3 (t = 30 nsec)l 200 µm 連続波観測– 100 Jy source, B = 100 GHz → 2×10-14 W– NEP ~ 1×10-15 W/Hz0.5l 40 µm 連続波観測– 100 Jy source, B = 1 THz → 2×10-13 W– NEP ~ 2×10-15 W/Hz0.5

南極テラヘルツ干渉計
l ヘテロダイン干渉計l ボロメータ干渉計

いずれも、感度は大気雑音で制限されるl 強度相関干渉計

検出器の帯域幅と基線長に制限がある。

テラヘルツ強度干渉計を宇宙へ！
• 大気の制限なし• 基線長の制限なし• 光子計数による超高感度干渉計l 雑音温度 10  mK、帯域幅 1  THz  の干渉計l テラヘルツ波で 1000  km  以上の基線
l マイクロ秒角で 300  K  の天体画像合成

NEP  for  photon  counting
vs.  time  resolution
Matsuo  and  Ezawa (2015)

ν/Δν =  3

テラヘルツ波を用いた超高空間分解能観測• 「あかり」天体の高空分解能観測– 30-­60秒角からミリ秒角、マイクロ秒角へ• 活動銀河核の超解像度観測– 非熱放射、原子微細構造線の観測• 恒星の観測– 熱放射、原子微細構造線の観測• 原始惑星系円盤の超解像度観測– 1  AU以内の円盤構造

THz  Gap  of  Spatial  Resolution

AKARISOFIAHerschelSPICA

A  Concept  of  Large  Space  Terahertz  Interferometry  Acknowledgements to江澤 元, 柴﨑清登, 岩井一正, 下条圭美,
篠原徳之, 本間希樹, 木内 等（国立天文台）
村田泰宏, 土居明広, 和田武彦（宇宙研）
松下聡樹（ASIAA）