光天連シンポ@国立天文台三鷹

2008.8.21

中間赤外線低分散分光ユニットの提案と地方大学との協力の可能性
岡本美子（茨城大）

TMTでのMIR観測の意義

高空間分解能と感度向上の組合せが最大のメリット

8mより4倍良い空間分解能

0.08” @10µm on TMT  ALMAと比較可能に

感度向上：～15倍(point source)

分散の高い分光も可能に→ SPICA, JWSTとは相補的 イメージング性能： 単一鏡で像が得られることは大きなメリット

ＭＩＲ干渉計＠ＶＬＴＩ等はデータ解釈はモデル依存性が強い

サイエンスの展開
惑星系形成（星周円盤）：後述
 星形成


大質量星形成

円盤や様々な段階のＹＳＯの探査・研究： 早期Ｏ型星の円盤は未発見
クラスター形成している・遠い・埋もれている→長波長での高空間分解能が本質的

系外銀河： super star clusterの性質と進化など

惑星科学・太陽系科学

惑星大気構造・惑星気象（？？ｋｍスケール）、彗星・小惑星質量放出星
 その他
星周円盤サイエンスのTMT
での展開
HD142527(HAe)
HD200775(HBe)

すばるMIR観測の成果
 空間分解による成果


中質量星を中心に、原始惑星系円盤やデブリ円盤をいくつか空間分解→温度分布やダスト物質分布、さらには円盤構造や、そこでの惑星の影響などを明らかに

感度向上による成果
従来よりも暗い天体の分光を適度な分散で行うこと
で、Ｔタウリ型星まで含めたダスト分光を展開
 →円盤物質（惑星系の材料物質であり、円盤でのダスト成長などの指標）の進化を明らかに

COMICS 8.8µm
Okamoto+ in prep

1000AU
Color: COMICS 24.5µm (Fujiwara+ 2006)
contour: CIAO H-band (Fukagawa+ 2006)

β Pic (Smith & Terrille 1984)

Masked area

Okamoto+ 2004

星周円盤サイエンスのTMTでの展開
８ｍの限界： ８ｍの性能では

空間分解 ターゲット：明るい中質量星原始惑星系円盤に限定される→ 太陽質量までのばしたい！
 分解しても、広がりの有無の議論までがせいいっぱい→ 円盤の動径方向の議論がしたい。
特に惑星形成領域内部の詳細は？
TMTにおけるMIR観測機能は、惑星系形成（円盤の観測）に新たな展開をもたらす広い質量範囲の天体: 太陽型から中質量、大質量まで
 Ｇ型星ではＡ型星に比べて円盤は～4倍小 ただし2倍近いところにターゲットが存在

進化段階全体にわたるサンプル：原始惑星系円盤からデブリ円盤まで
 惑星形成領域（＜５０ＡＵ）の詳しい議論、さらには地球型惑星形成領域（ｒ＜１０ＡＵ）の議論が可能に
TMT MIR装置の提案


MIR域の撮像・低分散分光器
回折限界空間分解能の実現→MIR AOが必要
 副鏡チョッピングにかわるチョッパシステム
 基本的仕様（案＝叩き台） 7.5-13.5µm, 16-25µm
 撮像0.044”/pix, FOV 40” (1kx1k array：要開発)
 分光 R~300, IFU 中分散機能は？


効率的観測の実現IFU （イメージスライサ）、スリットビュワー機能
波長ピクセル
スケール

スリット
幅

1pix
@100pc1pix@5kpc@50kpc
(LMC)

@1Mpc

Subaru/COMICS

10µm

0.165”

0.33”

17AU

850AU

0.04pc

0.8pc

TMT (30m)

10µm

0.044”

0.088”

4.4AU

220AU

0.01pc0.2pc

Elias & Tokunaga + 提案のMIR高分散分光器MIRESへの機能追加・拡張として検討
MIRESは円盤ガス分光に特化した装置
 我々が提案する機能追加は汎用装置としての価値を付加する 惑星・系外銀河・質量放出星等の観測にも有用



MIRES
装置概要
λ =8-18µm, (5-28µm goal)

空間分解能：MIR AOにより、回折限界を実現0.08”PSF @10micron 将来は、deformable M2に移行

感度
撮像: 1mJy@10micron, 5mJy@20micron 高分散分光：50~100mJy@10micron (10sigma100sec)
撮像： 0.017”/pix (for 4.5µm diffraction)
1k x 1k array, FOV>15”, R=2-50
 分光： 0.04”/pix, 2k x 2k array3” slit (>0.1” width), R=60000-120000


撮像のサイエンス 原始惑星系円盤やデブリ円盤内のダスト分布の微細構造 惑星・小天体の分布
 ALMAと比較可能な空間分解能

惑星を持つデブリ円盤のダスト分布シミュレーション例@50pc

高分散分光のサイエンス 原始惑星系円盤の内側高温領域のガス→惑星形成の物理・化学の解明
 ALMAによるcold gas観測と相補的 JWSTに並ぶline検出感度
 内側の数AU領域はTMTでも空間分解が容易でない

 速度profileから場所を分離

これまでの高分散分光例
 AB AurのH2輝線検出(Bitner et al. 2007)
 670K、0.5Mearth, r~18AU←TMTであれば空間分解可能

構成案

MIR低分散分光ユニット（前光学系、スリットビュ
ワー、イメージスライ
サ、分光系）

必要な技術・要検討事項
 面分光技術（イメージスライサ技術）
 要素製作
 光学調整 観測・解析法

 内部チョッパ技術
 冷却瞳チョッパ（東大IoA （宮田、酒向、中村他））
 検出器マウントチョッパ？

 光学系のfeasibility studyなど

日本での開発activity
イメージスライサMIRSIS 茨大、ISAS,天文台マシン
ショップ、東大

Object image on
the slicingmirrors

Telescope 角度を変えてあるため、視野分割(reflective slits slightlytilted to each other)

Fore-optics

Light rays reflected ateach slicing mirror
goes different
direction

pupil mirrors 通常のスリットの代わりに反射型スリットを複数配置

Slicing mirrors

camera mirrors
to reimage thelight rays on theSpectrometer

pseudo slitイメージスライサの得失

狭い視野に放射がかたまっている天体の面分光が得意
星形成領域、晩期型星、原始惑星系円盤、惑星、等
 多天体分光には不適

回折がスリット幅方向のみに起こる

空間分解能がスリット方向には維持←ファイバーとは対照的

スリット幅方向にはどうしても空間分解能は劣化点源に対してもメリット
スリットのせの労力が不要→点源でも観測の効率化
 通常のスリット分光器ではスリットからもれた光の回収→SN改善になりうる

アパーチャ分光ではないので、分散（R）が維持可能

MIRSISの開発
イメージスライサ技術の開発・検証プラットフォーム
Advanced Image Slicer: 副鏡の結像も考慮して光学系を小型化
 反射系で構成：長波長(>20µm帯)への応用可能性
 7.5-13.5micron, 5slice, R~200, IRTF & Subaruに搭載可能
 Okamoto et al. 2006, 2008, Mitsui et al. 2008


MIRSIS光学系
Pseudo slitmirrors
Slicingmirrors

Pupil mirrors

grating

stop
Switching mirror(image/spec.)

N wide filterスライスミラー

切削直後のミラー面(本番用＋ダミー）

超精密旋盤による300µmアル
ミ板の断面加工
ダミーを含めて多めの枚数を重ねて治具にとめて切削 5枚を3度ずつ向きを変えて配置

断面形状測定面精度

 表面粗さrms 12nmを実現

切削刃の出るところで面形状が悪化
 締めつけ圧力を高めて真ん中のスライスミラーを使うことで実用になることを確認

2019181716151413121110987654
枚目

ミラーを3oずつ傾けた状態に並べ直したもの

瞳鏡スライスミラーで分割された光線を、10mm次の擬スリットミラー上に並べなおし
面
面
面
面
面て再結像
12345
 曲率・中心の異なる球面鏡5個
 調整が困難にならないよう、一体で精密切削加工で作成
 表面3次元測定による面精度 格子点の測定→この測定値がマスの色に反映されている
 形状精度rms 0.6µm
 表面粗さrms 20nm
 切削の最後では刃の劣化で面荒れ

Array formatの大型化
現状と同じ各ミラーサイズで、7個×3段=21mirrorまで加工可能 大型・多要素の瞳鏡の製作には、途中でバイトを交換して精度を劣化させずに切削を続ける方法の開発が必要


面
1

先

高面
2面
3

切削面
4面
5

後
低

RMS 0.6micron
Peak-to-Valley 3micron

最後のミラーだけ0.7mmの曲率半径の誤差

仮組みしたスライサ系
スライスミラー（擬スリットミラーの後ろ）スライスミラー
視野絞り

擬スリットミラー
取付マウント
スライスミラー
マウント

光線

スライサ系
ステージ

瞳鏡（裏面）

分光系へ

MIRSIS開発状況
まとめ

光学系
スライサ系の部品（スライスミラー、瞳鏡、擬スリットミラー）製作完了、面精度問題なし。仮組み→修正完了
 他光学部品についてはマウント含めほぼ製作終了。
 駆動系（7軸分）を含む光学系もほぼ全て部品製作完了、駆動システム立ち上げ中

光学調整法の試験完了
 相対位置マーカとして真球を用いた、相対位置測定を繰り返す方法を開発



来年度最終年度に塗装の上、組立て・調整、総合評価

検出器
天文台ハワイ観測所より、MIRTOS用に使用していたSi:As 320x240アレイを拝借
 読み出しシステムの開発は、東大IoAにてMAX38用に開発されたシステムの移植を進めている




冷却系




到達温度がやや高いため、断熱材の追加・熱パス改良を進行中

試験観測の計画

最終年度に東広島天文台において試験観測を行ってから、その後のIRTF等での観測に臨む方向で検討イメージスライサのTMTへの応用
 確保可能な視野（大雑把な見積もり） R~250@10micronを仮定

 2”x5” FOV⇔114pix×23slice×300pix
=320 x 240 x 12 arrays相当
=1k x 1k x 1array相当
 1”x3” FOV ⇔68pix×12slice×300pix
=320 x 240 x 4detectors相当 = 1k x 1k x 1/3 array相当 実現可能性は十分ある

TMT

FOV

ピクセル
スケール

相当ピク
セル数相当スラ @100pc
イス数1”

0.044”

23122”

455”

114@5kpc

@1Mpc

100AU

5000AU

5pc

23200AU

10000AU

10pc

57500AU0.25pc25pc

冷却チョッパ

装置の瞳部に、傾き可変のミラーを入れて視野を制御
ピエゾによる制御

現状の問題点：低温での破損頻度が高い



窓付近のごみの熱放射を、違うビームで見てしまうために、チョップだけでは背景残存パターンが残る→主鏡noddingが必要

2007.6にファーストライトに成功
検出器をマウントごとチョップするほうが得策か？

13cm
1:5.65 Lever
Multi Layer Piezo Actuator
・Stroke 150µm＠300K→3-6%@4K・operating voltage -10 – 150V・heat loss 4%

TMT MIR装置 今後の検討・開発
 サイエンスの強化 サイエンスからの要求性能

 仕様・概念設計の詰め→秋～冬にこれらを議論するキックオフ研究会を開催
したい
興味のある場合、連絡＆エントリーを より広い範囲のサイエンスに合致した装置提案に

 初期詳細設計
 各技術要素の開発

 現在進めている各プロジェクト（MIRSIS, MAX38等）の継続

TMTプロジェクトにおける地方大学との連携の可能性
 TMTは非常に大型の国際プロジェクト
 サイエンスの魅力は大 一方で大学からの参加は必ずしも簡単ではない
 1大学で1装置の開発を行うのは無理
 １装置全体の開発の主体になることも簡単ではない
 天文台が主体とならなければどの大学・装置でも難しいだろう 大学の存在感の埋没のおそれ→大学の中で評価されにくい 現状、大学はどこも「独自」「自前」プロジェクトを求められる傾向

 学生の確保が簡単ではなくなってきている 物理離れ 地方大学は優秀な大学院生を旧帝大にとられがち 地方大学では博士課程進学の学生はほとんどいない 開発アクティビティの引継ぎの難しさ

 学生だけでは開発スケジュールをしっかり守っていくのは困難

地方大学がTMTの開発に参加するには

何に参加できるか

装置の部分（要素や機能）の開発を担当することは十分可能
 学生教育にもメリット。実験スペース・機器のある程度の提供が可能。



一方で装置開発のみでの参加は難しい サイエンスのリターンが見込めないと開発モチベーションは上がらないし、学生も集まらない

大学に必要な支援

人的支援（ポスドク等）
 たとえば、ポスドクを1－2名、天文台から大学に派遣してもらい、大学での開発担当部分の実質的な推進役を担ってもらう→こうすることで、学生が入れ替わっても、引継ぎの支障を小さくできる 大学側は、4年生、Ｍ１などの教育を進めて彼らが一定の戦力になる体制を整え、開発に参加させる

予算支援（開発経費）
 Ｒ＆Ｄ、試験観測・性能評価等のための旅費



大学がプロジェクトの重要な役割を担っていることの外部への明示
 広報、種々の書類等



天文台側がこれらの体制を整えていくことが非常に重要

それなくして大学からの参加は無理

まとめ TMT MIR装置を提案
 惑星系形成のサイエンスなどで大きな展開がみこめる 今後、サイエンス・仕様等について、より広いコミュニティで検討を進めたい 現行の開発アクティビティの成果を適用していく 大学の開発での参加に必要な条件整備を提案

(質疑応答 — Q:質問, A:回答, C:コメント — 氏名無しは発表者の発言, 敬称略)
(C) 大学へ研究費などを回して、大学で使う、雇うという方が良いと思う。 (高見)(Q) ？？？ (？？？)(A) ファブリーペローでは、広視野で一様性が確保できない...(？？？)