近赤外線面分光ユニット
SWIMS-IFU
すばる望遠鏡でのファーストライト
2022年度 光赤天連シンポジウム
櫛引洸佑(東京大学 D3)
尾崎忍夫(国立天文台), 竹田真宏, 細畠拓也, 山形豊(理化学研究所),森田晋也(東京電機大学), 中川桂一, 佐伯峻生, 大竹豊(東京大学),
都築俊宏, 三ツ井健司, 沖田博文(国立天文台),
本原顕太郎(国立天文台, 東京大学), 高橋英則, 小西真広, 小山舜平,加藤夏子, 陳諾, 穂満星冴(東京大学)

面分光⚫ 二次元の視野全体の空間分解したスペクトルを一度の露光で取得する観測手法⚫ 特に可視で大規模に実施: MUSE(VLT), MaNGA(SDSS), …

3次元データキューブ
Original Image by
ESA/Hubble & NASA,A Filippenko

λY

分割 & 並べなおし分散
データ再構築X

近赤外線面分光重要性
1. ダスト減光の強い天体 (Starburst銀河、星形成領域など)⚫ 可視光はダスト減光の影響が強い➔ 近赤外線は影響が少ない

1.16 µm

Shapley et al. 2015

2.15 µm

2. 高赤方偏移天体⚫ 赤方偏移した可視スペクトルz~2 (Cosmic Noon)
問題点
1. 視野が狭い < 10 x 10 arcsec2
VLT/SINFONI
8 x 8 arcsec2➔近傍天体の一部のみ
ブラインドサーベイには全く不向き
2. 同時観測波長域が狭い (近赤1-2バンドのみ)➔複数輝線の観測が非効率

Piqueras López et al. 2012

➔ 広波長域の既存近赤外線分光器SWIMSに広視野面分光ユニット(IFU)を開発

NGC3110, z~0.0169
Pan-STARRS, y-band

SWIMS

Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph
TAO 6.5m望遠鏡の第一期装置 & すばる望遠鏡 PI装置 (S21A-S22B)⚫ 二色同時 広視野撮像 & スリット多天体分光
ここにスリットマスク

TAOSubaru

撮像視野

Φ9.6’

6.6’ x 3.3’

ピクセルスケール

0.126”/pix

0.095”/pix

各arm検出器数

42フィルター

Y, J, H, Ks, 8 x MB, 10 x NB

同時分光波長域

0.9 – 1.45 um (Blue arm)
& 1.45 – 2.5 um (Red arm)

波長分解能 𝝀Τ𝚫𝝀(0.5”スリット)

700 - 1200

600 - 1000

0.9-1.45µm

1.45-2.5µm

SWIMSの光学系&機械系レイアウト➔スリットマスクと同様に望遠鏡焦点面に挿入するだけで、SWIMSを面分光モードに切り替える光学ユニットを開発

面分光ユニット SWIMS-IFU⚫ シーイングでの観測に最適化したイメージスライサー方式の光学系
SWIMS-IFU 仕様値 (Subaru)
視野望遠鏡からの光~ 13.5 x 10.4 arcsec2

スライス幅~ 0.4 arcsec

スライス数26(CH+13~CH+1,CH-1~CH-13)

ピクセルスケール
IFU効率0.095”/pix> 70%➔既存装置より広視野&広波長帯域で効率の良い観測⚫ スリットマスクと同様に扱うため、コンパクトな光学系

PO1: 組み合わせレンズ

PO0: 平面鏡

天体像を拡大x ~2.77
PO2:球面鏡

スライスミラーアレイ(S1)• 天体像を26個の短冊状に分割
スリットミラーアレイ (S3)
• 分割された天体像= 疑似スリット像• 瞳像をLyot Stopへ結像
SWIMSへ

*銀河画像 ©ESA/Hubble & NASA

瞳ミラーアレイ(S2)• 瞳像• 像を縮小 x 1/2.77

超精密切削加工を用いた製作
動作精度< 1nmの超精密加工機 ULG-100D(5A) (理研所有)と高精度ダイヤモンド工具⚫ 面粗さ rms < 10nm
⚫ 形状誤差 P-V < 300nm⚫ 複数鏡面の一体加工 ➔ アライメント負担の軽減

53.5mmPO0+スライスミラーアレイ
1+26 平面鏡

PO2 球面鏡

スリットミラーアレイ
26 球面鏡瞳ミラーアレイ
12 球面 & 14 楕円面鏡

すばる望遠鏡での試験観測
基本情報
日時2022/3/27 前半夜 (HST)*2022/3/25 日中に較正データ取得

天気晴天

実施項目

⚫ 天体導入⚫ 標準星 HIP51684 (IFU撮像 & 分光)⚫ 球状星団 M3 (IFU撮像)

IFU視野中心で観測した標準星
Blue arm: 0.9 – 1.45µm

評価項目●結像性能 ●IFU効率 ●迷光Red arm: 1.45 – 2.5µm※ 12チャンネルのみの評価

結像性能⚫ 当日のseeing (FWHM=0.39-0.56 arcsec)と比べて、劣化は0.1 arcsec程度とほぼ設計通り

スライスミラーアレイでの結像
CH+3CH+2CH+1CH-1CH-2CH-3検出器での結像~スリットミラーでの結像観測されたスペクトルの空間方向の広がり= 最終的な点像のサイズ
2.1 µmでの断面6チャンネルに渡る標準星スペクトル= スライス幅0.387arcsecでサンプリングされたスライスミラーでの点像
0.387’’

各CHが占める信号の割合を
ガウシアン
フィット
1.0, 1.2, 1.6, 2.1 µmで測定 & ガウシアンフィット➔ FWHM = 0.48 – 0.58 arcsec(想定値 0.393 – 0.562 arcsec)➔ FWHM = 0.45 – 0.64 arcsec(想定値 0.47 – 0.62 arcsec)

IFU効率
ドームフラットデータの比: SWIMS-IFU vs SWIMS➔ 50 – 75% (短波長&長波長で仕様70%に到達せず)
IFU効率モデルとの比較⚫ アルミ鏡面 反射率⚫ 鏡面の面粗さによる散乱⚫ レンズ内部透過率H-band(1.64µm)⚫ デザイン時点でのケラレ➔短波長側はよく一致
長波長側が原因不明
J-band(1.25µm)

Y-band
(1.03µm)

KS-band(2.14µm)

熱迷光
Ks-band ドームフラットオフ IFU撮像観測された迷光副鏡
迷光 設計光路 迷光⚫ 長波長(Ks-band)のみ⚫ 疑似スリット像の両脇に上下半分ずつだけ短冊状の像➔2.1umより長波長のスペクトルで大幅な感度劣化
原因 = 望遠鏡バッフルやカセグレン穴付近からの熱輻射⚫ 迷光光路の主鏡穴付近にはバッフルなど常温構造多数シミュレーションで得られた
設計光路+迷光像

対策

迷光

設計光路

主鏡
迷光

⚫ IFUの入射開口を狭める
14.5mm → 7.5mm(設計光路 > 90%
迷光 < 10%)

ここにIFU

対策後開口 7.5mm

SWIMS-IFU開発
まとめと今後の展望まとめ⚫ SWIMS-IFUはTAO 6.5m望遠鏡用近赤外線観測装置SWIMSに広視野13.5” x 10.4”の面分光機能を追加するイメージスライサー方式の面分光ユニットである。
⚫ SWIMS-IFUは超精密切削加工によって完成し、2022年3月にすばる望遠鏡で初めての試験観測を実施した。
⚫ 性能評価✓ 結像性能はスライスミラーアレイ位置、スリットミラーアレイ位置ともにほぼ設計通りでFWHM=0.45 – 0.64 arcsec。
✓ IFU効率は50 – 75%と短波長側と長波長側で仕様の70%を下回る。
特に長波長側の効率減少の原因は明らかになっていない。
✓ 望遠鏡バッフル構造からの熱輻射による迷光が見られた。対策を検討中。
今後の展望⚫ S22B期にすばる望遠鏡共同利用に公開され、一件の科学観測が予定されている。
⚫ TAO 6.5m望遠鏡用の新SWIMS-IFUでは今回の開発からのフィードバックにより性能の改善を目指し設計を進める。

光赤外コミュニティーへ
個人的に思うこと近赤外線”広視野”面分光は未開拓かつ需要はありそう ➔ やるなら今！？

⚫ 最近の方向性は高空間分解能 & 中-高分散 ➔ 視野は狭い⚫ 広視野近赤IFUは計画されているものでも26” x 20”程度 (Magellan/MIRMOS)⚫ (MUSEを思い浮かべると…)冷却下で多数のIFU&分光器や検出器など課題は多い
既存装置
Gemini/NIFS
3”
3”

Gemini/GNIRS
3.2”
4.8”

将来装置
E-ELT/HARMONI
TMT/IRIS
6.12”
2.25”
4.4”
9.12”

VLT/KMOS VLT/ERIS(SINFONI)
GMT/GMTIFS
2.8”
8”
2”
4”
2.8”
8”
Magellan/MIRMOS
Subaru/SWIMS-IFU
Keck/LIGER
JWST/NIRSpec(10.4”) 6.8”
4.8”
3”
20”
3”
13.2”
13.5”
Keck/OSIRIS
26”
4.8”
6.4”

VLT/MUSE

60”60”
各装置のウェブページより

光赤外コミュニティーへ
個人的に思うこと近赤外線”広視野”面分光は未開拓かつ需要はありそう ➔ やるなら今！？

⚫ 最近の方向性は高空間分解能 & 中-高分散 ➔ 視野は狭い⚫ 広視野近赤IFUは計画されているものでも26” x 20”程度 (Magellan/MIRMOS)⚫ (MUSEを思い浮かべると…)冷却下で多数のIFU&分光器や検出器など課題は多い
装置開発人材育成のために学生と教員の方へ思うこと⚫ サイエンス的な興味を持ち、ゼミや研究会に積極的に参加⚫ 様々な開発現場(小型、大型)を見る & 見せる機会⚫ 装置開発に関わる若手を増やすためには今いる装置開発の若手を良く雇用➔ 潜在的に多く存在する”少し開発に興味ある”若手を引き込むきっかけ