三波長同時撮像装置MuSaSHIのぐんま天文台150cm望遠鏡搭載と観測
第13回OISTER WS@名古屋大学

金井昂大, 大朝由美子(埼玉大学), 高橋英則(東京大学), 橋本修(ぐんま天文台)
MuSaSHI

ぐんま天文台150cm望遠鏡

ぐんま天文台約100km
片道2時間ほど

ぐんま天文台150cm望遠鏡

埼玉大学

口径
焦点距離F値

図2. ぐんま天文台と埼玉大学の位置関係

ベントカセグレン焦点r

三波長同時偏光撮像装置”MuSaSHI”

iz

光学系

ウェッジ付きダイクロイックミラー

観測波長r(550-680nm)
i(700-810nm)
z(820-1000nm)

図1. 左：SaCRA望遠鏡/MuSaSHI. 右：MuSaSHI

・埼玉大学55cm”SaCRA”望遠鏡(F6.5)用に開発
・r,i,zバンド同時撮像観測＋偏光観測・レンズを用いない高効率(50-70%)な収束光学系
・SaCRA搭載時の限界等級(SN 10, rバンド)~17.3等(5min), ~18.5等(30min)

大きさ~40cm 40cm 15cm

CCD

FLI ML4710

画素数(画素サイズ)

1056 1027(13µm)

観測視野@SaCRA(F6.5)

12.8ʼ 12.4ʼ
(0.74”/pix)

マウント開発
望遠鏡焦点面フランジからMuSaSHIを上下に支持するマウントを設計

望遠鏡焦点面

340mm

2.57ʼ

観測視野

r=12.2 i=12.0 z=11.8
相
対的な明るさ2.50ʼ

図6. HAT-P-38の
光度曲線

12.5ʼ

レデューサー開発・環境整備

レデューサー開発• 2枚のレンズ(L1,L2)を用いたF変換光学系
L1:焦点距離f1,口径D1, L2:焦点距離f2,口径D2• (持ち込み装置のため)取り付け再現性の高い筐体設計〜600mm口径

すばる/CISCO JHK

カメラレンズ

MuSaSHI筐体

レデューサー搭載前

科学観測

性能評価izr

すばる/CISCO JHK等
10枚 級
誤差FWHM
r:6.4
i:7.1
z:7.2

レデューサー搭載後

観測日：2022/11/21(GAO), 2022/12/06(SaCRA)
GAO150cm/MuSaSHI

バンド間フォーカスずれによって限界等級が変化

図14. 150cm望遠鏡/MuSaSHIにレデューサーを組み合わせた時のS106観測画像

等級

レデューサー+MuSaSHI
F値

6.7

観測視野

4.77ʼ 4.61ʼ
(0.270”/pix)zi

観測天体：TOI-3714, r=14.67, i=13.63, z=13.17

S/N=10

図15. rizバンド等級-等級誤差図5ʼ

太陽系外惑星トランジットの観測を行ない、SaCRA望遠鏡に搭載時の結果と比較

観測天体：M34

積分時間：30s

2.5ʼ

4.7ʼ

MuSaSHIS/N 10,積分時間 300s

5ʼ

相対的な明るさ

4.7ʼ

5ʼ
図11. 150cm望遠鏡/MuSaSHIの 図12. すばる望遠鏡/CISCOのriz三色合成図
JHK三色合成図

光学設計通りの観測視野を実現！

レデューサーとの組み合わせで約1.4等深い観測を達成！

課題

〜4.4%

時間

露出時間60sの画像2枚で測定

Y座
標

改善案例

ぐんま天文台150cm望遠鏡において• 望遠鏡焦点位置を手前にずらすレンズの導入 多色同時撮像観測
図17. r,i,zバンド画像のxy座標とFWHMの関係○レンズ枚数少 現行2+1枚→ SaCRA望遠鏡用に開発された○現レデューサーを活用
MuSaSHIを搭載し、観測を実施△光軸調整が難しくなる

視野が狭い(2.6ʼ 2.5ʼ)
過度なオーバーサンプリング(0.15”/pix)
配線の安全性/望遠鏡との接続 に課題

10• レンズを複数枚用いた、収差の小さいレンズ系
FWHMのX座標の導入
傾向が逆・FWHMの大きさ：z > r > i△レンズ枚数多 現行2+？枚 → 効率の低下
・画像位置によるFWHMの大きさ：中心部 < 周辺部@r,i 中心部 > 周辺部@z△新規レデューサー筐体が必要？

→ バンド間の焦点位置の違いによる収差の変化

・像面湾曲収差(視野中心-周辺での焦点位置ずれ)/非点収差が見られた。

→ 光学設計による再検討/補正レンズの導入

図16. TOI-3714の光度曲線 時間(右)150cm望遠鏡/MuSaSHI (左)SaCRA/MuSaSHI○レデューサー導入後の課題
バンド間フォーカスズレ→ シムによる対策を検討済み
zバンド限界等級/像面湾曲収差補正→ 光学系の詳細な検討

図18. レデューサー改善案の光学系概念図• 直接搭載10FWHM〜4.4%

150cm望遠鏡にレデューサー+MuSaSHIを搭載することで高精度な観測を達成！

まとめ・今後の展望
レデューサーによる収差を調べるため、 観測天体：M34
画像上の位置ごとの星のFWHMを測定 観測日：2022/9/29
Seeing：~2.0”

SaCRA/MuSaSHI
相対的な明るさr : 19.4 magi : 18.5 magz : 18.3 mag

4.7ʼ

図10. レデューサー搭載前後でのベントカセグレン焦点の比較

天体情報

150cm望遠鏡+MuSaSHIでの安定した運用を実現

レデューサーの有無での観測画像(30s)の比較 Seeing：~2.0”

約800mm20

座標情報

図9. 左：焦点フランジに搭載した配線BOX内部. 右：150cm望遠鏡/MuSaSHIで得られた画像のfits herder

限界等級

FWHM：大時間情報

50mm

4.6ʼ

収差

・150cm望遠鏡に合わせたソフトウェア整備→ 望遠鏡制御と接続
望遠鏡情報のfitsヘッダー書き込み

望遠鏡情報(9モザイク)

配線BOX(配線BOXの製作+ソフト整備)

・焦点マウントで光→有線LAN 変換→ 配線がMuSaSHI搭載焦点のみで完結

コリメーターレンズ

観測日：2022/9/29

5ʼ

4.6ʼ

→ 通信/制御系の更新

75mm

2.57ʼ

レデューサー• 配線の安全性/安定性• 望遠鏡と制御PCの接続• 望遠鏡情報の取得環境整備

望遠鏡
焦点面絞り

図13. 150cm望遠鏡にMuSaSHIを直接搭載時のS106観測画像

M42 (2022/11/21)＋搭載位置をフランジ手前に変更

F12.2 → F6.7 (4.7ʼ 4.6ʼ; 0.27”/pix)を実現するレンズの組み合わせr

レデューサー搭載後

1.522 ± 0.001

図8. 上：レデューサー筐体の3DCAD検討図. 右：完成したレデューサー. 下：レデューサー設計図

図7. レデューサー光学系の概念図

メーカー 焦点距離コリメーター エドモンド
400mm
75x400
VIS-NIR
レンズ
シグマ
カメラレンズ DLB-50-220PM
220mm(9モザイク)

MuSaSHI搭載位置

z

・長さ：〜400mm
・重量：〜3kg
・レデューサー/MuSaSHI
接続部分の取り付け再現性→位置決めピン(径3mm)採用
・焦点面絞り(迷光対策)

riz三色合成図4.6ʼ

1.530 ± 0.001

図5.
左：SaCRA/MuSaSHIの観測視野全体開発したレデューサーとMuSaSHIを組み合わせて観測
ファーストライト

S106 (2022/05/11)iF12.2→F〜6.5(MuSaSHI設計値)に変換

筐体設計

観測効率の向上+安定した運用を目的としてレデューサー開発や環境整備を実施(OISTER 教育プログラム2020-2021)

レデューサー搭載前1.496 ± 0.001

科学観測が可能であることを確認！
・視野が狭い(2.6ʼ 2.5ʼ)(M37; 積分時間15分)
2.3ʼ
・過度なオーバーサンプリング など
右：150cm望遠鏡/MuSaSHIの視野と観測効率の低さが課題同範囲の画像の比較
2.0ʼ

150cm望遠鏡

図4→
上：マウント3DCAD
下：MuSaSHIを直接搭載した際の様子

開発前後の比較時間r• 観測視野が狭い(2.6ʼ 2.5ʼ)• 過度なオーバーサンプリング(Seeing 3”=20pix)• 搭載に時間がかかる• 取り付け再現性が低い→ レデューサー開発

減光率(%)(SaCRA:17.3mag)

12.5ʼ

①f2 180mm②f2/f1 0.53(＠F6.5)③D1 f1/12.2+28mm (観測視野実サイズ)④D2 1500 f1 / 18300 (主鏡瞳サイズ)⑤コーティングが500-1000nm

トランジット解析結果〜1.5%

SaCRAとの観測画像比較

レンズ選定条件

観測日：2020/10/30
Seeing：~3.0”

r:18.0mag

S/N 10, rバンド,積分時間 300s

SaCRA

レデューサー搭載

観測天体：HAT-P-38(0.146”/pix)

限界等級

←図3.
左：150cm望遠鏡
右：MuSaSHI搭載
検討の様子

課題

系外惑星トランジット観測

2020/10/28-30
2021/12/08
2022/01/18-20

観測日

MuSaSHIを搭載することでぐんま天文台150cm望遠鏡で高精度な多色同時撮像観測を行なう

最大4つの観測装置を搭載可能な一方、多色同時撮像機能を持つ観測装置が存在しない

MuSaSHI@150cm望遠鏡
12.2
F値

手前側

ベントカセグレン
焦点(1)ベントカセグレン焦点(2)図3. ぐんま天文台150cm望遠鏡/MuSaSHI

性能評価

ベントカセグレン焦点に搭載。焦点面に直接搭載するマウントを設計・製作し、観測を行なった(OISTER 教育プログラム2019-2020)

ナスミス焦点(2)

~10kg

直接搭載

カセグレン焦点
ナスミス焦点(1)重量(潮田 修士論文 2016, Oasa et al. 2020)

MuSaSHI

150cm
1830cm12.2
近赤外撮像分光装置(GIRCS)
観望用
高分散エシェル分光器(GAOES; せいめい望遠鏡へ移設)
空き→ MuSaSHI 搭載予定
低分散分光撮像装置(GLOWS)

光学系の詳細な検討
ATC共同利用等を活用予定• レデューサー開発+搭載
視野の拡大(4.7ʼ 4.6ʼ; 0.27”/pix)

配線の改善+ソフトウェア整備→ SaCRA搭載時と比較して2等深い観測を達成！ (S/N=10, 300s)
19.4等@150cm望遠鏡 17.3等@SaCRA○今後の展望• レデューサー光学系の最適化• SaCRAでのMuSaSHI2を開発→ 150cm望遠鏡に現MuSaSHIを常駐• (将来的に…)150cm望遠鏡専用の多色同時撮像観測装置開発(狭帯域多色同時撮像)

レデューサー光学系改善に対して、佐藤修二先生からご助言をいただきました。また、OISTER教育プログラ
ムの実施のため、高橋隼様にご尽力いただきました。
この場を借りて御礼申し上げます。