RAVENを⽤いた複タイムステップ
トモグラフィ推定の開発
⼤野 良⼈ (東北⼤学 / JSPS DC2)目次
1. 最終ゴール：TMT-AGE
最終
2. 多天体補償光学オンスカイ実証装置「RAVEN」
3 複タイムステップトモグラフィ推定の開発
3.複タイムステップトモグラフィ推定の開発

TMT AGE
TMT-AGE
TMT-AGE : Analyzer
yfor Galaxies in the Earlyy universe
1. 銀河の内部構造の形成過程を明らかにする。
z>1-5の銀河を空間的に分解して分光
銀河を空間的 分解
分光 (⾯分光)を⾏う。
分光 を⾏

1. 銀河形成期
銀河形成期での激しい星形成の物理過程を明らかにする
激形成 物理過程 明
する
z>5の銀河の光を積分して分光する

1 将来のスペース望遠鏡で⾒つかる宇宙初期での銀河の候補天体のフォロー
1.
将来のスペ ス望遠鏡で⾒ かる宇宙初期での銀河の候補天体のフ ロ
アップ観測
z>8の銀河の光を積分して分光する。

普遍的な描像を明らかにするために、たくさんの銀河を観測して統計的に議論する

⾼い集光⼒ ・ ⾼い空間分解能 ・ ⾼い観測効率

TMT+広視野補償光学
多天体補償光学(Multi-Object Adaptive optics, MOAO)•

複数のガイド星、トモグラフィ推定•

5ʼの視野内の10~20個の天体に対して同時に補正を⾏う。

•

観測効率の向上

技術的課題•開ループ制御•

波⾯センサ
波⾯センサー、DMのダイナミックレンジ
DMのダイナミックレンジ•

トモグラフィ推定、計算速度

TMT+広視野補償光学
地表層補償光学(Ground-Layer Adaptive optics, GLAO)•

複数のガイド星、地表層のみ補正•

地表層はすべての⽅向で共通のゆらぎ、⽀配的な成分(60%>)•

10ʼ>の広い視野でseeingの改善

TMT+広視野補償光学
多天体補償光学+地表層補償光学(MOAO + GLAO)MOAO Mode• 視野5ʼ、回折限界に近い補償• ⾼い空間分解能、多天体⾯分光
GLAO Mode• 視野10ʼ、Seeingの改善
視野10ʼ S i の改善• 広い視野、多天体分光メリット•

波⾯センサーや個別可変形鏡に必要なダイナ波⾯センサや個別可変形鏡に必要なダイナミックレンジを⼩さくできる。

•補正されたガイド星を⽤いることができる。

TMT AGE
TMT-AGE
TMT-AGE : Analyzer
yfor Galaxies in the Earlyy universe
1. 銀河の内部構造の形成過程を明らかにする。
MOAO modeの⾼い空間分解能による多天体⾯分光観測
視野5ʼ、50masサンプリング

1 銀河形成期での激しい星形成の物理過程を明らかにする
1.
GLAO modeの広い視野を⽤いた多天体分光観測
視野10ʼ、150masサンプリング

1. 将来のスペース望遠鏡で⾒つかる宇宙初期での銀河の候補天体のフォローアップ観測
GLAO modeの広い視野を⽤いた多天体分光観測
視野10ʼ、150masサンプリング※ ⼀度に10~20天体の多天体観測を⾏う。

TMT AGE
TMT-AGETMTで視野10ʼのMOAO+GLAOシステムを実現するために……
 TMTで視野10ʼのGLAO部分の光学系の設計
⾼⽥発表
 MOAOの技術的課題の実証 (開ループ制御、トモグラフィ推定)
すばる望遠鏡での実証 「RAVEN」(本発表)
 トモグラフィ推定アルゴリズムの開発
複タイムステップ：本発表
経験的再構成：⼭崎発表

多天体補償光学のオンスカイでの実証

RAVEN

RAVEN MOAOの技術的&科学的実証試験機 (8mクラスでは世界初)
 技術的
技術的：開ループ制御、アライメント、キャリブレーション、コプ 御ブントロール、トモグラフィ推定
科学的：透過効率、オーバーヘッド、科学観測オペレーション、バッド、科学観測オ レ ション、
 科学的：透過効率、オサイエンス観測 カナダと⽇本の国際協⼒
 ３回の試験観測 ＠Subaru望遠鏡
 with IRCS (近⾚外撮像、分光) & レーザーガイド星 3つの⾃然ガイド星(直径3.5ʼ以内)と１つのレーザーガイド星でトモグラフィー推定 直径2ʼの視野内にある2つの天体に対して補正を⾏う。(各サイ直径2ʼの視野内にある2つの天体に対して補正を⾏う (各サイエンスチャンネルの視野は4”)
 ⽬標性能：Ensqured Energy 30%> in 140mas slit ⽬標透過効率 : AO188の80%以上

Calibration
Unit((Simulator))

System開ループ波⾯センサー

閉ループ
波⾯センサー

可変形鏡

可変形鏡

青 キャリブ青：キャリブレーションション
緑：波面センサー
赤：サイエンス光路

http://web.uvic.ca/~ravenmoa/index.html

Optical benchControl GUI

Pick-off arms

RAVEN and IRCS@ NsIR

同時性Science

スカイや参照星を一度に観測することで、高精度なスカイ引きや大気吸収の補正を行う

1. High resolution spectroscopy of metalpoor star
2. Spectroscopy of prototypical IRluminous merging galaxy, NGC6240

NGC6240多重性
離離れた領域をAOで補正しながら一度に観測する
補が度 観

3. Observation of the center of a near elliptical galaxy.
Davidge et al.
al (2015)

PSFの⼀様性
4. Imaging of host galaxies of high-redshift QSOs.

Calibration• 3つのオープンループWFS、2つのサイエンスDMをつなぐ
I tInteraction
tiMMatrixの作成。
t i の作成

http://web.uvic.ca/~ravenmoa/Blog.html

国立天文台大屋氏のスライドより

Alignment•

第２回試験観測で透過効率の低下、背景放射の増加 各チャンネルごとに差が⾒られた
加、各チャンネルごとに差が⾒られた•

各チャンネルの瞳ずれ、RAVENとIRCSの瞳ずれが原因。

•

第３回試験観測では改善された
観改善

グリズムフラット画像 (HK)AO188

撮像フラット画像 (H-band)

第2回試験観測

第3回試験観測

RAVEN

第２回試験観測透過効率~32%(H)

第3回試験観測
透過効率〜70% (H)MOAO
補正なし (EE=12%)
(2%)

MOAO
O O ((EE=25%)
2 %)GLAO (EE=17%)

SCAO (EE=41%)

複タイムステップトモグラフィ
波⾯再構成の開発

トモグラフィ推定逆問題

測定誤差

W1(t)

e1(t)

S2((t))= H W2((t)) +e2((t))

W3(t)

W3

⼤気気ゆらぎ

S1(t)

S3(t)

ガイド星

W2
W1

e3(t)
Telescope

WFS

W(t) = H† S(t)H† : 再構成行列

測定値

S1

WFS

WFS
S3

S2

トモグラフィにおける情報不⾜ 測定できない領域
 ガイド星の光が通らない領域は全く情報がない。
 推定エラーの原因となる。

 縮退している領域
 波⾯センサーで測定できるのは、ガイド星の⽅向の積分された位相ゆらぎ。
 トモグラフィ推定で⾼さごとの位相ゆらぎに変換するためには、複数の光路で測定されている必要がある。

望遠鏡

トモグラフィにおける情報不⾜ 測定できない領域
 ガイド星の光が通らない領域は全く情報がない。
 推定エラーの原因となる。

 縮退している領域
 波⾯センサーで測定できるのは、ガイド星の⽅向の積分された位相ゆらぎ。
 トモグラフィ推定で⾼さごとの位相ゆらぎに変換するためには、複数の光路で測定されている必要がある。

望遠鏡

これらの領域はMOAOの視野を広げるほど増え、トモグラフィ推定の精度を⼤きく下げる。

複タイムステップトモグラフィ推定
 短い時間の間ならば、⼤気ゆらぎは⾵速によって移動しているとみなせる。
(Frozen flow) 前のタイムステップで測定された領域も時間ともに移動していく
 複数のタイムステップの測定値を同時に⽤いることで 情報を増やして推定精度を向いることで、情報を増やして推定精度を向上させる。
複タイムステップトモグラフィ推定
 各⾼さでの⾵速、⾵向の情報が必要

S(t)S(t Δt)S(t-Δt)望遠鏡e(t)= H’ W(t) +

⾵速・⾵向
⾵速
⾵向e(t-Δt)(t Δt)

⾵速推定 トモグラフィ推定がで再構成された各⾼さの位相乱れも時間とともに⾵速で移動していく。
 各⾼さごとに時間相関を計算
 ピークの位置の中⼼からのずれから⾵速、⾵向を推定する
ピ クの位置の中⼼からのずれから⾵速 ⾵向を推定する
時間相関マップ

測定値

S1
S2
S3

再構成された
各⾼さの位相乱れ
トモグラフィ
推定

W1
W2
W3

時間相関

数値シミュレ ション
数値シミュレーション• ⼝径30mでのMOAOの数値シミュレーションの結果

従来のトモグラフィ• 視野10ʼ、8つのレーザーガイド星• 約ストレル⽐が2倍向上した。
約ストレル⽐が2倍向上した• 実験室実験でも成功した。
中⼼からの⾓度距離とストレル⽐
複タイムステップオンスカイでの結果• 複タイムステップと従来の⼿法を交互に試した。
• 推定された⾵速はすべての⾼さでほぼ0• Ensquared Energyは⾼くなったが、複タイムステップによるものではない？
• 他の時間帯でも今のところ改善は⾒られなかった。
改善

⼤気ゆらぎプロファイル

⾼度r0=0.314m

EE=28.5%

EE=26.7%

EE=28.8%

EE=26.5%

Multi

Singleg

MultigSingleH [km]

X wind [m/s] Y wind [m/s]

10.5

-0.00

0.00

7.5

0.37

0.25

15
1.5-0.02
0 02

0 78
0.78

0-0.080.26

オフライン解析
 ⾵速推定⼿法の改善• すべての⾼さで相関マップの中⼼に強いピーク。このせいで⾵速がほぼ0に。
• 1秒ごとに平均を引いて、ゆっくり変化する成分を取り除いた
大

時間相関の時間差

⾼度

⾼度

時間相関の時間差以前の⼿法で結果新しい結果

大オフライン解析

⾵速のプロファイル

⼤気ゆらぎ強度、⾵速、⾵向の⾼さプ フ イル 時間変化
さプロファイルの時間変化

161415
Altitudee [km](約1時間)

1010865Wind spe
eed [m/s]

124
20019:50

⼤気ゆらぎ強度プロファイル

20:10

20:20

20:30

20:40

20:50

21:00

HST 2015 06/23

⾵向のプロフ イル
⾵向のプロファイル

2.5

150

15100

101.5
15

Altitude [kkm]10-13CN

2250
100-50
5-100

0.5
0
0
19:50

20:00

20:10

20:20

20:30

HST 2015 06/23

20:40

20:50

21:00

-150

019:50

20:00

20:10

20:20

20:30

HST 2015 06/23

20:40

20:50

21:00

Wind direction [degree]

315
Altitude [kkm]20:00

オフライン解析
 複タイムステップトモグラフィ推定の評価
 オンスカイで取得された波⾯センサーのデータからトモグラフィを計算して、波⾯残差を評価した。
 いくつかの時間帯では、複タイムステップ⼿法による改善が⾒られた
700
Ch1:Single

⼤気ゆらぎプロフ イル
⼤気ゆらぎプロファイル(2.47, -4.95)

660
WFE [nm]( 2 44 -6.05)(-2.44,6 05)

680

Ch1:GLAO
Ch2:Single

640
620

(4.51, -1.51)

Ch1:Multi

Ch2:Multi
Ch2 G AO
Ch2:GLAO

600(0 93 0(0.93,0.82)82)580

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
t [s]

まとめ TMT-AGE プロジェクト

 MOAO+GLAOで遠⽅銀河の性質を統計的に明らかにする
 MOAO mode：直径5ʼの視野内で回折限界に近い補正
 GLAO moded ：直径10ʼの広い視野内でModerateの補正
直径10ʼの広い視野内でM dt の補正

 多天体補償光学のオンスカイ試験機「RAVEN」

 オンスカイでのMOAOの実証に成功
 今後は試験観測で得られたデータからさらなる解析を⾏う 室内実験装置としてはまだまだ活躍予定

 複タイムステップトモグラフィ推定
複タ ムステッ トィ 定 オンスカイでは今のところ改善が⾒られなかった。
 ⾵速推定⼿法の改善を⾏い、オンスカイのデータから⾵速を検出した
 さらに多くのデータで解析を⾏い、性能評価を⾏う。
さらに多くのデ タで解析を⾏い 性能評価を⾏う