TMT広視野補償光学の実現に向けた国際協力
秋山正幸 (東北大)TMT-Analyzer for Galaxies in the Early universe : TMT-AGE

科学的課題

広視野 AO による近赤外線での多天体同時(面)分光観測装置 ( ~ TMT / IRMOS )TMT-Analyzer for Galaxies in the Early universe : TMT-AGE

科学的課題

広視野 AO による近赤外線での多天体同時(面)分光観測装置 ( ~ TMT / IRMOS )1. 赤方偏移 1-5 の銀河の内部構造の進化の探査と、銀河構造の確立過程の解明
2. 赤方偏移 6 を超えるような宇宙初期の銀河における星形成のメカニズムの解明
3. 赤方偏移 8 を超えるような銀河/AGNの探査¥

1. 銀河内部構造の確立過程
Turbulent / High-density
disks at high-z
Typical galaxy seenin the local universe

Very compactgalaxies at
high-zClumpygalaxies at
high-z1. 銀河内部構造の確立過程
Example image of a massive galaxy at z=1.0
Even if we put this galaxy at z=1.5, TMT IFU
spectroscopy can detect Ha-line / stellar continuum
from the colored regions shown below.
(10h SN=10 R=3,000)

Gas dynamics

Stellar dynamics

2. 宇宙初期の銀河中での星形成
Average of rest-UV spectra ofz~3 star-forming galaxies• Rest-frame UV featuresof star-forming galaxies– Low-ion IS abs line:• Distribution and dynamics ofneutral gas– High-ion IS abs line:• Distribution and dynamics ofionized gas– Stellar emission:• High-mass star contents– Nebular emission:
Shapley et al. 2003

• Galaxy rest-frame

3. 形成期の銀河の探査• 2020 年代の多波長の衛星は形成期の銀河の探査のため、広視野の観測を目指す。広視野赤外：Euclid, WFIRST, SPICA,,,広視野 X 線：Atheta, STARX,,,• これらの探査で見つかる形成期の銀河、超大質量ブラックホール候補のフォローアップのためには広視野、近赤外線の多天体分光器が必要。
– Subaru/Suprime-cam – Keck/DEIMOS– WFIRST – TMT/TMT-AGE

d~10’~DEIMOSWFIRST 0.28 sq.deg~Suprime-Cam

仕様まとめ1. Spatially-resolved spectroscopy of z=1-5 galaxies.
– 補償光学による高空間分解能の多天体面分光器。
– 0.05x0.05” sampling IFUs with 2” FoV– R=10,000 spectroscopy for v~30km/s

2. Integrated spectroscopy of z>5 galaxies.
3. Follow-up spectroscopy of candidates of z>8galaxies– 広視野、補償光学による高感度の多天体分光器。特に赤側の可視光から長い波長をカバー。
– 0.3x0.3” – 0.5”x0.5” aperture integrated spectroscopy– R=3,000 (5A resolution, 2A/pix) for
absorption/emission lines with rest-frame EW of 1A.

トモグラフィーによる広視野補償光学
鍵となるのはトモグラフィーによる大気揺らぎの高さ構造の推定

Integrated/Degenerated

Separated“3D” estimates
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Point Spread Function
with tomographic AO in the wide-field mode
Narrow-field mode (“Laser Tomography Multi Layer AO”)
linear
log
0”
60”
120”
180”
• Ensquared Energy within 0.05” ~50% up to 30”

240”

300”

Wide-field mode (“Multi-Object AO”)
linear
log
0”
60”
120”
180”
240”
300”
• Ensquared Energy within 0.05” ~50% up to 150” (25 time larger area)カナダ・ビクトリア大、HIA との国際協力によるすばる望遠鏡を用いたトモグラフィー推定による補償光学の実証

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Tomographic AO on-sky demonstration : RAVEN•

On-sky demonstrator of tomography AO system on the Subaru telescopeTomographic AO on-sky demonstration : RAVEN
Pick-off Arms

NGS3NGS1

Science Ch2

Science Ch1

NGS2

Tomography AO on-sky demonstration : RAVEN• 3 個の自然星の波面計測の情報を用いて、2個のターゲットについてそれぞれに最適化した補償を行う。補償された光を IRCS を用いて観測。
No AO

Partly corrected

Tomography AO

AO correction
with target itself

大気揺らぎ高さプロファイルを実時間測定し、トモグラフィー推定行列を構築• Tomography matrix are constructedwith
1. Configurations of the reference
light sources
2. Turbulence height profile
Cannot be fully separated with the limited
measurements.
Turbulence height profiles are used to setup the turbulence layer altitudes andstrength of each layer

3. Wind height profile (forpredictive estimation)
CTスキャンのトモグラフィーと異なり、測定方向の数が少なく、方向の違いも小さい (= 悪条件の逆問題)。事前情報を与えることが必要。

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Tomographic AO ingredient I :Turbulence height profile

Ono et al. 2016

• Turbulence height profile can be estimated with taking crosscorrelation between two WFSs monitoring two different referencestars.

Tomographic AO ingredient I :Turbulence height profile• Real-time turbulence height profiling with cross-correlation ofmultiple WFSs.

Ono et al. 2016 SPIE

Tomographic AO ingredient II :Wind profile•

Wind direction and velocity of each turbulence layer can be estimated withcross-correlation of wavefront sensor data at two different time steps.
EstimatedPhase
TomographicReconstruction

Ono 2016

Δt=

Temporal Correlation

Tomographic AO ingredient II :Wind profile• Cross-correlation 結果(左)と求まった大気風プロファイル(下)Ono 2016

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Tomographic AO ingredient II :Wind profile• Result of a real-time wind profiling above Subaru.

Strong windat 10km

Ono 2016

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トモグラフィー推定行列の「答え合わせ」• “Cross-check” tomography estimation with the WFS measurementsfrom tomography WFSs and the WFS in the target optical path：“Learn & Apply” method.

Measurements

Requiredcorrection
山崎修士論文 201621/36

Required correction

トモグラフィー推定行列 (実測)

Yamazaki 2016
Measurements

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トモグラフィー推定行列 (推定)Yamazaki 201623/36

Maunakea では特に地表層の揺らぎ成分が強い• Fraction of ground-layer component (<0.5km) measured by
RAVEN data with SLODAR algorithm.

Ono et al. 2016, MNRASRAVEN での国際協力• 大屋 (TMT推進室)が中心となって調整。
• 東北大からは機械・光学系の製作には参加しなかったが、ビクトリア大・ハワイ観測所に院生を派遣して光学調整から参加。
• ソフトウェアを中心に貢献：大気プロファイリング、トモグラ
フィーアルゴリズムとその実証。
• 修士論文(山崎) 1 本、博士論文(大野) 1 本、査読論文多数 (大野主著1 )、SPIE 論文多数。
• すばる望遠鏡レーザートモグラフィー補償光学へと展開。
First run in May 2014.

Second run in Aug. 2014.

TMT-AGE 実現に向けた今後の展開と国際協力：
1.すばるレーザートモグラフィー補償光学
2. ULTIMATE-SUBARU
3. ジェミニ南望遠鏡 GIRMOS

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1. レーザートモグラフィー補償光学の実装• 4個のレーザー光源とそれを測定する 4 台の波面センサーを実装し、トモグラフィー補償光学を実現する。

渡邉 (M2) を中心に波面センサーユニットの設計を進め、試作品の製作を開始している。
櫻井 (M1) を中心に波面測定データの解析プ
ログラムを開発中。
波面センサー単体ですばる望遠鏡に持ち込んでの試験を予定している。
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1. 高輝度レーザーによるレーザーガイド星の実現
実験室では既に高輝度が得られることを確認し、実装を待つ。

レーザー送信望遠鏡

ファイバーレーザーヘッド

エレクトロニクスラック• 新開発のファイバーレーザー光源を導入し、4 個のレーザーガイド星に分岐する。
• 複数レーザーガイド星の開発の実績のあるオーストラリア国立大学
Francois Rigaut のグループとの議論も展開中。
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1. レーザートモグラフィー補償光学による可視高空間分解能観測• AO188 の可変形鏡を更新し、可視光面分光観測装置 3DIIと組み合わせて高空間分解能の面分光観測を実現する。
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2. ULTIMATE-Subaru : 地表層補償光学• オーストラリア国立大学を中心に国際協力の展開を進めている。
• トモグラフィー補償光学に加え、広視野全体に補償をかける可変副鏡がキーコンポーネント。

3. ジェミニ南望遠鏡 GIRMOS• ジェミニ南望遠鏡の多層共役補償光学 GEMS に搭載する多天体の面分光装置。
• TMT/IRMOS 実現に向けた基礎開発としてカナダ・トロント大学のSuresh Sivanandam を PI として提案中。
我々としては• トモグラフィー補償光学の実装部分に貢献したいということで参加中。

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展望
2010年代後半

2020年代前半

2020年代後半

すばる望遠鏡トモグラフィー補償光学

すばる望遠鏡ULTIMATE-Subaru

TMT
広視野多天体分光器

高精度補償の実現
可視光補償光学の実現

広視野補償光学の実現

広視野補償光学の発展

中間赤方偏移銀河の星系の力学
近傍銀河のブラックホール探査

遠方銀河形態の探査
再電離期銀河の探査

WFIRST/ATHENA/SPICA追求
初代大質量ブラックホール
初代銀河

科研費規模

科研費＋国際協力

国際協力＋TMT運営費

ジェミニ南望遠鏡
GIRMOS

国際協力の主導と参加：
カナダ・ビクトリア大学
オーストラリア国立大学 Francois Rigaut ら
カナダ・トロント大学 Suresh Sivanandam ら

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(日本の)大学研究室としての国際協力• 院生を派遣できることは大きな原動力であり、それを生かして win-win にしたい。いつでもどこでも人材は貴重。
• 派遣/受け入れをするための枠組み (協定校への中期・長期海外派遣、単位互換、国際共同大学院) はそれなりに選択肢が作られている。
• 光学・機械系の一部を引き受けた国際協力は下地作りが必要。
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極限補償光学の開発との連携などを含め国内での協力体制も広げていきたいと考えています。よろしくお願いします。

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Diagnostic lines for high-z galaxies• Most of the redshifted UV diagnostic lines fall within 7001800nm for galaxies at z>5-9.

Number density• Red (MOAO), blue (GLAO), green (seeing-limit) lines show
the detection limits for each system.
• Number density of luminous z~6-7 LBGs is not so high.

Filled squares from Bouwens et al. 2014,V-dropout for z~5, i-dropout for z~6, and Y-dropout for z~7

Tomography matrix construction
with the real-time measurement• Tomography matrix are constructed with• Configurations of the reference light sources• Turbulence height profiles
Updates every 10 min• Wind height profiles
The last two parameters are estimated in real-time
atomospheric monitoring with the same WFSmeasurements

How to check whether the derived tomography matrix is
optimal or not ?
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