2022年度光赤天連シンポジウム (2022/9/20-22)

ULTIMATE-Subaru

プロジェクトの現状と課題
https://ultimate.naoj.org/index.html

小山佑世 (国立天文台ハワイ観測所)

on behalf of ULTIMATE collaboration

広視野観測のDNAを受け継ぎ、ULTIMATEは観測波長と大気揺らぎの壁を超える！
暗夜

明夜SF galaxy at z=2「地表層補償光学(GLAO)」を搭載し、広い視野(約20分角)にわたって星像改善を目指す。

① 8m級望遠鏡で最大視野のAO+近赤外撮像

Naturalseeing

GLAO② 宇宙望遠鏡に匹敵する解像度

GLAO (0.2”in K-band)③ ほぼ全天で実現

ガイド星条件r~19mag④ 多彩なフィルター群

naturalseeing© Sakurako Okamoto「地表層補償光学(GLAO)」を搭載し、広い視野(約20分角)にわたって星像改善を目指す。

SF galaxy at z=2HST FoV (3’x3’)

ULTIMATE FoV(14’x14’)① 8m級望遠鏡で最大視野のAO+近赤外撮像

Naturalseeing

GLAO② 宇宙望遠鏡に匹敵する解像度

HSC (optical, ~0.8”)

ULTIMATE (NIR, ~0.2”)
GLAO (0.2”
in K-band)③ ほぼ全天で実現

ガイド星条件r~19mag④ 多彩なフィルター群

naturalseeingプロジェクトチーム構成(1): 装置開発チーム・プロジェクトコアチーム
ULTIMATE-Subaru project office•
••
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Michitoshi Yoshida (NAOJ, Project PI)
Yosuke Minowa (Subaru, Project Manager)
Yusei Koyama (Subaru, Project Scientist)
Takashi Hattori (Subaru, wide-field imager)
Yutaka Hayano (Subaru, GLAO development)
Junichi Katakura (Subaru, Project controller)
Kentaro Motohara (NAOJ, wide-field imager, WFI)
Hirofumi Okita (Subaru, Telescope upgrade)
Yoshito Ono (Subaru, GLAO development)
Ichi Tanaka (Subaru, MOIRCS upgrade lead)
Yoko Tanaka (Subaru, GLAO optical design)
Koki Terao (Subaru, GLAO development)
Chihiro Tokoku (NAOJ, NINJA development)
Shin Oya (NAOJ, GLAO development)
Kenshi Yanagisawa (NAOJ, System engineer, wide-field imager)
Hiroshige Yoshida (Subaru, GLAO/MOIRCS, software)
Sadman Ali (Subaru, sensitivity WG)
Masayuki Akiyama (Tohoku, GLAO development + science)
Tadayuki Kodama (Tohoku, Science team lead)
Hajime Ogane (Tohoku, GLAO/ULTIMATE-START)Masahiro Konishi (Univ. of Tokyo, wide-field imager)

ULTIMATE science core team
Akio Inoue (Waseda)•Tadayuki Kodama (Tohoku)•Yusei Koyama (Subaru)•
Tomoko Suzuki (IPMU)•
Ken-ichi Tadaki (NAOJ)•Takuji Yamashita (NAOJ)•Sakurako Okamoto (Subaru) ••••••••Shogo Nishiyama (Miyagi Univ. Educ.)
Daisuke Suzuki (Osaka)
Takafumi Kamizuka (Tokyo)
Kumiko Morihana (Subaru)
Yuhei Takagi (Subaru)
Tsuyoshi Terai (Subaru)
Takashi Moriya (NAOJ)

ANU team (Australia)
••
•
•
•
•
•

Celine d'Orgeville (ANU, team lead)
Doinne Haynes (ANU, project manager)
Noelia Martinez Rey (ANU, project scientist)
David Chandler (ANU, systems engineer)
Nicholas Herrald (ANU, mechanical engineer)
Israel Vaughn (ANU, Optical Engineer)
Warrick Schofield (ANU, Mechanical Engineer)

ASIAA team (Taiwan)•••••

Shiang-Yu Wang (ASIAA team lead, project management)
Masahiko Kimura (ASIAA, InR, Relay design)
Chueh-Yi Chou (ASIAA, Relay design)
Yin-Chang Chang (ASIAA, Relay design)Hsin-Yo Chen (ASIAA, InR design)プロジェクトチーム構成(2): サイエンスチーム

Science Goal (1): ULTIMATE for Deep Universe
Unveiling the life of galaxies across cosmic time and environment from elementary scale252) Growth of Galaxies

Deep & Wide NB

Sharp & Wide NB

Stellar build-up inside
the galaxies at thecosmic noon (z~2-3)epoch with deep andsharp NB(Ha/[OIII])imaging in K-band.

Unprecedentedly deepand wide NB imaging tosearch Lya emitters inthe epoch of cosmic
reionization (at z>>7)3) Death of Galaxies

H3
H1 H224ULTIMATE-NBK

MAHALO-Deep

MAHALO-Subaru

23

CDFS(CFHT)HiZELS-HAWKIHiZELS-main

HiZELS-Deep

22

Bootes-HiZELS

21
-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0
2log (Survey Area) [deg ]4) Nearby Galaxies & Galactic SF Regions

Deep & Wide MB

Understand the nature and environment of massive(quenched) galaxies by detecting the most massivegalaxies at z~4-5 with deep/wide MB(K) imaging.

K1 K2NB(K) [AB mag]

1) Birth of Galaxies

GOODS-S(HAWK-I)

K3
SEDs ofz=4
galaxySharp & Wide JHK+NB•

Spatially resolve nearbygalaxies (D<10Mpc) into starsand star-forming regions.

•Sharp/deep imagingof SF regions in theMilky Way to study theIMF.

0.5

Science Goal (2): ULTIMATE for Transient Universe
Understanding the evolution of stars, blackholes, and planets near and far
1) Galactic Center

3) High-z Supernovae

Sharp & Wide JHK + NB••High/low cadence survey
toward the Galactic Center withULTIMATE, to reveal hidden
objects (blackholes and freefloating planets) in the Galactic
Center with microlensing andastrometric approach.
Synergy with JASMINE, Roman.

2) Galactic Plane••

Deep K-band imaging•

SNe search at z>6 – visiting ~1-deg2 every 180days down to K > 26 mag (AB) will allow us todetect PopIII pair-instability SNe at z>6.

•

Boost the SNe detectability by targeting
protoclusters/overdense regions identified by
HSC (and Euclid/Roman) survey.

SLSNePISNe

Sharp & Wide NB/MBRevealing the Milky Way
structure and hidden stellar
evolution (e.g. OH/IR stars).
Pab/Brg imaging for cataclysmic
variables, to reveal the Galactic
Diffuse X-ray Emission

Moriya+2019

Harikane+2019

ULTIMATE(地上)とRoman(宇宙) 同時観測で広がるサイエンス

GLAO subsystem overview and status
Adaptive Secondary Mirror (ASM)••••

Φ=1260mm deformable mirror with 924 actuators
Adopt the well-developed technology from AdOptica/Italy.
Final design completed in FY2021
Start fabrication in FY2022

Laser Guide Star Facility (LGSF)

2022年11月にGLAOのPreliminary Design Review(PDR) を予定• Use 2 TOPTICA high-power lasers (22W) to generate 4 Laser Guide Stars.
• Launch the laser beams from the side of the telescope.
• Preliminary design ongoing.
Laser Beam(Φ~300mm)• ASM will be installed inthe existing Infrared
Secondary Mirror
mount

Wavefront Sensors (WFS)• Equip with the 4 LGS WFSs to measure the turbulence at theground layer and another 4 NGS WFSs to measure the low-ordererror that cannot be measured with the LGS.
• Preliminary Design completed in FY2021.

20 arcmin

Natural Guide Star (NGS) x 4LaunchingTelescope

Key Technology Prototyping

TOPTICA
Laser HeadDiagnostics
Bench• ULTIMATE-START - a Laser Tomography AO (LTAO) Wavefront Sensor with 4 x SH-WFS - hasbeen developed for testing the camera, real-time control, etc. for the future GLAO system.
• TOPTICA laser guide star has been integrated at Subaru to provide 4 laser beams for LTAO.
• LTAO will be initially commissioned with AO188, and later be used with the ASM, providing
a narrow-field (<10”) LTAO mode in ULTIMATE.

Science FoV
14x14 arcmin2

LGS WFSNGS WFS
Laser Guide Star (LGS) x 4

TOPTICA laser commissioned at Subaru

LTAO WFS (ULTIMATE-START)ULTIMATE 観測装置プラン 外部資金による開発が前提① MOIRCS•••••

NsIRへ移設
FoV: 4’ x 7’0.12” /pix
λ: 0.9-2.5um
Imaging + MOS
spectroscopy
ファーストライト装置として期待③ Fiber-bundle multi-obj IFU
••
•
•
•

Cs (w/ MOIRCS/PFS)
FoV: 14’ x 14’
IFU FoV: 1.2”x1.2”
l: 0.9-1.8um
Multiplicity: 8-13
オーストラリアより提案

② WFI
••
•
•
•
•

大型科研費
申請中

Cs
FoV: 14’ x 14’0.1”/pix
l: 0.9-2.5um
NB/MB/BB imaging
K~26mag (AB, 5s, 5h)

ULTIMATEの主力装置, 300夜クラスのSSPを想定④ NINJA spectrograph
•••
•
•

NsIR
1天体集中
最高感度
R~3000-4000l: 可視〜近赤外広帯域分光
LTAO装置, 科研費(基盤S)による開発

ULTIMATE-WFI (Wide-Field Imager)
ULTIMATEの主力装置, GLAOの視野全面(~200平方分角)をカバーする
真空冷却容器望遠鏡からの光

2021年6月に概念設計審査を実施

光学系
視野７分角の光学系４本で構成

審査員(アルファベット順)••
15枚のフィルターを同時に搭載••

液体窒素温度(77K) まで冷却

•
•
•
•

総重量3トン2m(2m x 2m x 2m)

検出器

焦点面を４枚の4Kx4KHgCdTe
検出器(HAWAII-4RG)でカバー,
pixel scale = 0.11”/pix

Rene Doyon(U. Montreal/Canada)
Takashi Ichikawa(Tohoku Univ./Japan)
Jessica Lu(UC Barkley/USA)
Tetsuya Nagata(Kyoto Univ./Japan)
Hideko Nomura(NAOJ/Japan)
Youichi Ohyama(chair, ASIAA/Taiwan)
James Rhoads(NASA/USA)
Lee Spitler(Macquarie/Australia)

ULTIMATE-WFI (Wide-Field Imager)
ULTIMATEの主力装置, GLAOの視野全面(~200平方分角)をカバーする
真空冷却容器望遠鏡からの光

2021年6月に概念設計審査を実施

光学系
現在のMOIRCS(AOなし)感度に比べて0.5-0.7magの点源感度向上を期待
視野７分角の(スループット向上と星像改善の効果)
光学系４本で構成

審査員(アルファベット順)••
15枚のフィルターを同時に搭載••

液体窒素温度(77K) まで冷却••

1時間, 5σ限界
総重量3トン2m(2m x 2m x 2m)

S. Ali et al.

検出器焦点面を４枚の4Kx4KHgCdTe検出器(HAWAII-4RG)でカバー,
pixel scale = 0.11”/pix••

Rene Doyon(U. Montreal/Canada)
Takashi Ichikawa(Tohoku Univ./Japan)
Jessica Lu(UC Barkley/USA)
Tetsuya Nagata(Kyoto Univ./Japan)
Hideko Nomura(NAOJ/Japan)
Youichi Ohyama(chair, ASIAA/Taiwan)
James Rhoads(NASA/USA)
Lee Spitler(Macquarie/Australia)

研究拠点形成事業 2021年4月〜2026年3月, 代表: 吉田道利 (国立天文台)「地上・宇宙望遠鏡の連携による近赤外線広視野深宇宙探査時代の国際研究拠点形成」••

2021〜2022年度にかけてオンラインセミナーを６回開催
2022年度内に対面でのワークショップも計画中
REUPS

ULTIMATE “narrow-field (LTAO)” mode

Wide-field+ moderatecorrection• ULTIMATE is not only for wide-field science.
• Our “LTAO” mode can deliver ultimately highspatial resolution and high sensitivity for yourfavorite target!

Narrow-field+ diffraction limit

GLAO(~0.2“ @ K-band)
LTAO(~0.05“ @ all λ)Natural Seeing

LTAO© ESO (VLT/MUSE)NINJA

Near-INfrared and optical Joint
Spectrograph with Adaptive optics

Tokoku et al. (2022), 2022年度秋季年会V204a(東谷)/V205a(守屋)• LTAO対応, 高感度広帯域分光装置• 科研費(基盤S)による開発• 「高感度広帯域近赤外線分光で読み解く重力波源における元素合成」• 2021〜2025年度, 代表: 吉田道利 (国立天文台)• すばるのPIタイプ装置として提案予定 (2025年度運用開始を目標)

光学系
レイアウト

検出器上のエシェル
フォーマットNINJAメンバー: 東谷千比呂, 吉田道利, 守屋尭, 本原顕太郎, 尾崎忍夫, 柳澤顕史, 大野良人,美濃和陽典, 寺尾航暉, 早野裕, 小山佑世, 冨永望, 大内正己, 田中賢幸 (国立天文台), 田中雅臣,秋山正幸 (東北大学), 長尾透, 松岡良樹 (愛媛大学), 櫛引洸佑, 穂満星冴, 安田彩乃 (東京大学)

まとめ•
•••
•
•

ULTIMATE = すばる２時代の明夜を担う次世代補償光学 x 赤外線観測装置
2017年度より”ULTIMATE-START”始動 [科研費]2019年度より国立天文台Aプロジェクト (すばるGLAOプロジェクト)
2021年度より本格的な予算措置スタート (+ SUPER-IRNETスタート, NINJA始動[科研費])
2022年度より「すばる２」始動, 可変副鏡の製作開始
観測装置開発は外部資金獲得が前提 à 外部資金獲得と国際協力に向けた努力を継続中

広視野モード (GLAO)• FWHM~0.2” @ K-band• 20-arcmin FoV (in diameter)

研究員公募 (予定)
•可変副鏡の較正システム担当 (国立天文台三鷹勤務)•

主に機械光学系の設計・製作、および完成したシステムを使った可変副鏡の較正作業などを担当•

問合せ先: 大屋真 (国立天文台先端技術センター)• GLAO+WFI = ULTIMATEの主軸• 多彩なフィルター群を用いた近赤外線深宇宙探査で宇宙望遠鏡と連携＆TMTへの独自ターゲット提供

狭視野モード (LTAO)•••ULTIMATEが提供するもう一つの観測機能
FWHM~0.05” @ 可視〜近赤外FoV: a few to ~10-arcsec