可視赤外線観測装置ワークショップ2022

PRIME望遠鏡近赤外線
主焦点撮像装置 :PRIME-Camの開発
平尾優樹（大阪大学）、PRIMEコラボレーション

内容• 背景 -重力マイクロレンズ系外惑星探査• PRIME計画• PRIME-Cam• PRIME望遠鏡およびPRIME-Camのインストール• PRIMEの初期運用の状況• まとめ

系外惑星探査手法：重力マイクロレンズ法
明るさ

惑星シグナル
時間

ある観測しているソース天体が前を横切るレンズ天体の重力により一時的に増光して観測される現象
レンズ天体に伴星が存在する場合左右対称な光度曲線からのズレが発生
フィッティングによって質量比を得る-> 惑星を検出

ソース天体

スノーライン以遠の惑星に感度-> 惑星形成論に重要な制限
レンズ天体

発生確率は100万個の星につき1個
惑星イベントはそのさらに1%
また惑星シグナルは数日から数時間-> 星が多い領域において広視野・高頻度の観測が必要

観測者
重力マイクロレンズの模式図

銀河系中心におけるマイクレンズサーベイ
Optical

G.C.

disk

可視光では減光が強くが観測できない

NIR

近赤外線観測によって星密度が高い低銀緯領域が観測可能

Ø More events -> More planets
Ø 銀河系中心部の質量関数（惑星 ‒ ブラックホール）Ø 可視光観測の結果との比較から質量関数、惑星存在率などの銀河系内環境依存性を調べる

Romanによる銀河系中心時間軸サーベイ
Ø 米国Decadal Survey 2010大型衛星１位
Ø HST、JWSTに続くNASA最優先の次期旗艦大型衛星
Ø 2026年10月打ち上げ予定Ø 近赤外線広視野撮像装置
Ø 高緯度サーベイ観測Ø Ia型超新星探査Ø 重力マイクロレンズ系外惑星探査
口径2.4m, L2軌道

H4RG×18

PRIME

この領域を観測し、左の惑星分布(青色)を明らかにする予定だが、観測フィールド選定には
ü マイクロレンズイベントレートü ダスト減光量などで改善の余地が残っている
PRIMEの事前観測によりRomanフィールドを最適化する

RomanチームからH4RG検出器を４つ貸与してもらえることが決まり実現

PRIMEtelescope

PRIME (PRime-focus Infrared
Microlensing Experiments) 計画
科学目的

近赤外線重力マイクロレンズサーベイ（世界初）(~50%)
Ø スノーライン以遠の低質量惑星の検出
Ø 銀河系中心領域の惑星頻度の解明
Ø Romanの観測領域・戦略の最適化
Ø Romanとの同時観測によるレンズ天体の物理量の決定
その他のサイエンス（~50%）
Ø 重力波やGRBなどの突発天体の観測Ø 近赤外線分光器（SAND）による系外惑星探査
Ø 星団領域のトランジット系外惑星探査 etc...
PRIME望遠鏡
PRIME

IRSF

口径

1.8 m （主焦点式望遠鏡）

F値

2.29

視野

1.45 deg !

検出器

H4RG-10 4（64M pixels）

ピクセルスケール

0.5 ” pixel"#

観測波長

Z, Y, J, H, 3NB

観測地

南アフリカ・SAAO天文台
PRIME望遠鏡の仕様

q=0

S=0.9

PRIME望遠鏡の光学系

L4

検出器 Cold Window

カメラ

L3L2

レンズユニット(L1-L4)

Andrew Rakich氏による設計*L2はActuatorで動かせる

L1

Fraction of Encircled Energy
00.5
1Filter

主鏡

Dewar window

Ø 4つの補正レンズを使用（最大直径45.5cm）
Ø レンズの素材は溶融石英（近赤外線で高い透過率）
Ø 全て球面で設計
Ø 全視野で80% Encircled
Energy diameterが14μmとなるように設計

回折限界

0 1

2 3 4 5 6 7 8 9Radius from the center (μm)

10

近赤外線主焦点撮像装置 : PRIME-Cam
Ø NASA/GSFCで2017年から開発を開始
Ø Alexander Kutyrev et al. (NASA/UMD) + Yuki Hirao (Osaka Univ.)
Ø 2022年8月完成
Ø Romanから貸与されたH4RG-10検出器を4つ使用した世界で最大級視野の近赤外線カメラ

Dewar（冷却部~100K)

70cm

Filter
格納部（常温部）

Cold Box

ColdWindow

ACADIA

H4RG

Dewar
Window

Filter
Wheel

Stirling式
冷凍機(16W@77K)
50cm

カメラの全体像

Motor

Dewar内部近赤外線主焦点撮像装置 : PRIME-Cam
主焦点部の限られたスペースに収まるように冷凍機、電源装置、温度測定・コント
ローラ、真空計、モータードライバー、水冷用のホースなどが格納部に配置

カート

検出器と読み出し回路

QE

Ø 検出器にはH4RG、読み出しにはRomanで使用されるACADIA/MACIEシステムを使用
Ø H4RGとACADIAはdewar内部で100K程度まで冷却され、MACIEは常温部で使用される
Ø 32 channel, 200 kHz, 2.86 s/readout244100K

波長Mosby+ 2020

視野外からの熱放射Ø 光学系のF値が小さく瞳（Cold Baffle）がないため常温を見込む立体角成分からの赤外放射がノイズとなる
Ø 検出器 ~ Cold Windowの距離を広げてできるだけ見込む立体角を小さく設計Thermal Radiation / Sky Background
スカイに対する熱放射の割合
120%
110%
100%

80%
70%
60%
50%

300K

40%

290K

ColdWindow
Cold Box
~80K

30%

280K

20%

視野外からの熱放射
検出器

10%
0%
300

250

200

150

100

50

Distance between Detector and Window (mm)検出器とCold Windowの距離

0

Percentage(%)

90%

フィルターの種類と交換機構
視野外からの熱放射を抑える（<180K）

Z, Y, J, H
NB106, NB124, NB163

カメラ内部の光学素子の概要図

ColdWindow

ColdBox

MLI

Filter(mock)光学フィルターØ 視野外からの⾚外放射を抑えるCold Window
Ø Broad band (Z,Y,J,H) + Narrow band (1.06um, 1.24um, 1.63um)

H4RGに感度がある2500nmあたりに10%以上の透過率がある

光学フィルターØ 視野外からの⾚外放射を抑えるCold Window
Ø Broad band (Z,Y,J,H) + Narrow band (1.06um, 1.24um, 1.63um)< OD5

Cold Windowと組み合わせて、1800nm以上の透過率をOD5以下にしてH4RGが感度をもつ長波長側の熱放射をできるだけ減らす

PRIME望遠鏡のインストール
2020/10~2021/4

望遠鏡建屋の建設

2021/6~2021/11

ドームのインストール*南アフリカでオミクロン株が発生

2022/7

望遠鏡のインストール

2022/8

FAROによる光学調整

望遠鏡のインストールの様子

H-band testカメラを使ったハルトマン光学調整
2022/9H-band testカメラを使った観測

ハルトマン板（左）とハルトマン画像（右）PRIME望遠鏡のインストール
2020/10~2021/4

望遠鏡建屋の建設
PRIME telescope Installation

2021/6~2021/11

ドームのインストール*南アフリカでオミクロン株が発生

2022/7

望遠鏡のインストール

2022/8

FAROによる光学調整

望遠鏡のインストールの様子

H-band testカメラを使ったハルトマン光学調整
2022/9H-band testカメラを使った観測

ハルトマン板（左）とハルトマン画像（右）PRIME-Camのインストール
2022年9月27日 インストール作業開始（NASA: 4人, Osaka: 7人）
Ø アメリカから輸送されたクレート（木箱）の開封
Ø 真空引きØ 読み出しテスト -> ４つのうち１つの検出器がうまく読み出せないことが判明-> 真空を破ってdewarを開けて原因調査

One of ACADIAs was damaged..
Ø １つのACADIAのカバーを留めるネジが外れ、内部の回路が損傷したことで読み出しができなくなっていたØ クレートには50G以上の力が加わった際に赤くなるショックロガーが取り付けられており、それが反応していたため、輸送中の振動や強い衝撃が原因で起きたと考えられる
Ø その場での修理は不可能だったため、現在３つの検出器で運用中。来年3月に行われるサービスミッションで新たなACADIAをインストール予定外れてしまった
ACADIAのカバー

PRIME-Camのインストール
Ø クレーンを使ったプラットフォームへの引き上げØ 真空引き＆冷凍機の電源を入れて冷却を開始-> 思うように圧力が下がらない-> 再び真空を破りdewarを開けて原因調査-> dewarを閉める際にO-ringの下にMLIのSheetを挟んでしまっていた..

PRIME-CamのインストールØ 真空引き再開
Ø 冷凍機の電源を入れて冷却を開始 -> 圧力が十分下がる（~1e-6 mbar）
Ø 読み出しテスト -> 問題なし
Ø 冷凍機の電源を落とし、クレーンを使い望遠鏡へのマウント
Ø 再び冷凍機の電源を入れ、温度が安定するまで待機First Light!
2022年10月8日

H4RGに初めて星の光が入った!

First Science Result!
2022年10月9日*後日、J-bandとH-bandフィルターがスワップしていたことが判明...

発生中の問題点
Øカメラ関連の問題
ØBackground noiseが高いØ高頻度で真空窓に霜・結露が付くØChip1にパターン状のノイズが生じるØChip2が読み出せないØBiasの値が大きくダイナミックレンジが小さい
Ø望遠鏡・ドームの問題
Øドームの回転、開閉が遅い
Ø望遠鏡を大きく動かすとドームでケラれが生じる
Øドームスリットから雨漏りする

Background noiseが大きい..

Background NoiseØ Background noiseの値が予想よりも大きいØ Cold WindowやCold Box上部が十分冷えていない？
Ø 熱接触を大きくするためにインジウムをCold WindowとCold Box, フランジとの間に挟み込む。またはヒートストラップを追加することを検討中

ColdWindow
フランジDewar Windowに霜・結露が生じる
Ø ドーム内湿度が50%程度に上昇するとDewar Windowに霜・結露が生じてしまうØ 乾燥空気をエアポンプを使ってDewar WindowとL4の間に送るようにしているが、風量が弱いか当て方が悪いと考えられる
Ø より大容量（4L/min -> 120L/min）のポンプに変更、細い径のホースを使用す
るとポンプがオーバーヒートしたため、ホースの径も太い（内径5mm ->13mm）ものに変更した
Ø Dewar Windowに直接空気を当てられるようなフランジの作成を検討中

DewarWindow
ホース(OD:13mm)

デフォーカスして撮った星の画像
左下が霜によってケラれている

L4

まとめ
Ø PRIMEは銀河系中心領域で近赤外線重力マイクロレンズサーベイ観測を世界で初めて行う
Ø 観測に使用されるPRIME-CamはH4RG-10を4つを使用した
近赤外線で最大級の視野を持つカメラ
Ø カメラの開発はNASA/GSFCで行われ、2022年8月に完成した
Ø 2022年10月に南アフリカのSAAO天文台でPRIME望遠鏡へのインストールが行われ、ファーストライトを迎えた
Ø 現在初期運用中
さまざまな問題点がある..
Ø 2023年3月頃にサービスミッションを行い、本格的な観測を始める