可視⾚外線観測装置ワークショップ2022 @ 京都⼤学

South Africa
Near-infraredDoppler

南アフリカ望遠鏡⽤
近⾚外ドップラー分光器
SANDの開発

⾼ 橋 葵 1,2, ⼩ ⾕ 隆 ⾏ 1,2,3, 細 川 晃 3, 多 ⽥ 将 太 朗 3, 葛 原 昌 幸 1,2,⽥ 村 元 秀 4,1, ⻄ 川 淳 2,1,3, 上 ⽥ 暁 俊 2, 永 ⼭ 貴 宏 5,
國 ⽣ 拓 摩 6, ⼩ 崎 瑛 ⼦ 6, 住 貴 宏 7(1)アストロバイオロジーセンター, (2)国⽴天⽂台, (3)総合研究⼤学院⼤学,(4)東京⼤学, (5)⿅児島⼤学, (6)名古屋⼤学, (7)⼤阪⼤学

SANDとは・・・
n南アフリカ・サザーランド観測所にある複数の望遠鏡にインストール予定の近⾚外⾼分散分光器
n天体の視線速度を⾼精度に測定するための⾼安定性を有した装置（プロジェクトのメインダーゲットは視線速度法による系外惑星探索）nすばるのIRDのヘリテージを⽣かして開発中

本発表の流れØ 科学⽬標とアプローチ
Ø 装置概要と設計仕様
Ø スペクトル変動を抑えるための⼯夫
Ø 開発体制と進捗状況
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本発表の流れØ 科学⽬標とアプローチ
Ø 装置概要と設計仕様
Ø スペクトル変動を抑えるための⼯夫
Ø 開発体制と進捗状況

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科学⽬標︓若いガス惑星探索
n若いガス惑星の軌道パラメータを調査し、惑星軌道移動過程を制約する=> 若い (<1Gyr) 星団内の恒星の視線速度を⻑期モニター観測
スリングショットモデル︖（軌道移動タイムスケール > 100 Myr）

or

Type-II 軌道移動モデル︖（軌道移動タイムスケール < 10 Myr）

外惑星による重⼒散乱
主星の潮汐⼒ガス円盤と⼀緒に降着ガス円盤の散逸

Dawson et al. 2018
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科学⽬標︓ハビタブル惑星探索
nハビタブルゾーンにある地球型惑星（=ハビタブル惑星）の発⾒・特徴付け=> 近傍のM型星の視線速度を⾼精度モニター観測
ハビタブル惑星の探索に最適︕

ü 存在頻度が⾼い→ 太陽近傍にもターゲットが豊富
ü 有効温度が低い→ ハビタブルゾーンが主星に近い→ ハビタブル惑星の公転周期が短い
ü 恒星質量が⼩さい→ 惑星の重⼒的影響を受けやすいü ⼤気吸収線が多い→ ⾼い視線速度精度が得られる
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なぜ “近⾚外” か︖
n若い恒星の表⾯には⿊点が顕著に⾒られ⾃転に伴う偽の視線速度変動を⽰す=> 可視域に⽐べ⾚外域でその影響が弱まる
nM型星は可視域で暗く近⾚外域で放射強度ピークを持つ＜⿊点なし＞!!

＜⿊点がある場合＞!! + ∆!""

Prato et al. 2008
□︓可視観測値●︓⾚外観測値!! − ∆!""

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なぜ “南アフリカ” か︖
n若い星団が豊富な南天をモニター観測したい（Scorpius Centaurus, TW Hydrae, β-Pictoris etc...）n北半球に⽐べて南半球で運⽤中・計画中の近⾚外ドップラー分光器は少数ØNIRPS（La Silla 3.6m, 2022~）︓λ=0.95-1.8 μm, R~100,000ØCRIRES+（VLT, 2021~）
︓λ=0.95-5.3 μm, R~92,000ØANDES（E-ELT, ︖）
︓λ=0.40-1.8 μm, R~100,000

n独占的かつ柔軟に望遠鏡の観測時間を使える中⼩⼝径望遠鏡と組み合わせて⻑期的かつ⾼頻度な視線速度モニター観測を実施したい︕
幅広い時間スケール（様々な軌道⻑半径を持つ惑星）=> ⼩さな変動幅の（質量の⼩さい惑星）の視線速度変動を捉えたい

サザーランド観測所（南アフリカ）の複数の中⼩⼝径望遠鏡を併⽤する
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本発表の流れØ 科学⽬標とアプローチ
Ø 装置概要と設計仕様
Ø スペクトル変動を抑えるための⼯夫
Ø 開発体制と進捗状況

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⼝径1.8m (⼤阪⼤)TELESCOPES IN SOUTH AFRICA

Optical fiber

SAND
分光器

SALT

PRIME

⼝径11m
セグメント鏡(SAAO)

300 m
200 m

IRSF
⼝径1.4m (名古屋⼤他)

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ファイバー⼊射モジュール
n望遠鏡収束光をファイバー⼊射端⾯上へ結像させる
nファイバーコアのサイズとシーイング像サイズの⽐率が最適となるよう拡⼤率を変えるnファイバーコアに対する星像の重⼼位置をモニター・制御する
n⼤気分散を補正する
収差補正⽤
レンズユニット

トップリング
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Tip-tilt
ミラー

検出器

ピンホール
ミラー

光ファイバー
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各望遠鏡のパラメータ* シーイングサイズ FWHM=1.5” z,Y-band

⼝径[m]

利⽤焦点

ファイバー
⼊射F値

ファイバー⾯
Plate scale[μm/arcsec]

ファイバー
コア直径[μm]

ファイバー
視野 [arcsec]

ファイバー
カップリング
効率* [%]

PRIME

1.8

主焦点

3.329.1602.175

IRSF

1.4

ナスミス

3.3

22.6

60

2.688

SALT

11

主焦点

3.3

178

60

0.34

<104.2224

350 → 60

1.56 → 0.34 60 → <10876Fout

n安定したファイバー出射F値を得るため、ファイバー⼊射F値<3.3としたい
nSALTは⼤⼝径望遠鏡のためプレートスケールが１桁⼤きく、同じ分光器ではファイバーカップリング効率が約10分の１に...
その分、集光⼒が約40~50倍になる。
（ただし観測⾼度は37度に固定）

54322

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エシェル分光器
検出器(HAWAII-2RG→
SIDCAR→MACIE)

カメラレンズ(f=250mm)
クロスディスパーザー(VPHグレーティング)

軸外し放物⾯鏡(f=741mm)

オーダーソート&サーマルカット
フィルター
ファイバー像⼊⼒エシェルグレーティング(溝間隔実測値 75 𝜇m, ブレーズ⾓実測値 79.4°)
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イメージスライサー
nイメージスライサーでそれぞれのファイバーコア像を２分割してから波⻑分散をかけることで、光損失なく波⻑分解能を向上させる
Back side view

Bowen-Wallraven 型イメージスライサー
プリズム 1

ガラス平板

ガラス板

Prism 2

露出⾯
input

プリズム２

output

⽩⾊領域の光線 : 直進して同⼀材質のプリズム２へ⼊射⿊⾊領域の光線 : ガラス平板内で多重反射し光軸が上⽅向へ移動

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設計仕様
0.849 – 1.083 μm (z,Yバンド)波⻑範囲波⻑分解能ファイバ視野ー 強い吸収線が豊富
ー 恒星活動度の指標となる吸収線をともに最端次数でカバー(CaII at ~0.85 um, He at 1083 um)

R~66,000
φ2.1” cf. シーイング FWHM 1.5”=> ファイバーカップリング効率 ~ 75 %効率~10 % at 1 μm

視線速度精度

距離 50pc にある⾃転速度 Vsini~10km/s の G 型星で ~ 5 m/s
距離 10pc にある⾃転速度 Vsini~2km/s の M 型星で ~ 2 m/s※ 恒星フォトンノイズリミットの30分露光1回の場合

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TESSのターゲットリストにあるM型星について
SAND+PRIMEで観測した場合に期待される視線速度精度（恒星フォトンノイズリミットの30分露光１回）▲ M型星周りに予測されるハビタブル惑星の分布
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しかし・・・︕
⼀般的な⾼分散分光器では、装置の不安定性によりスペクトルが変動し装置由来の系統的な視線速度誤差がフォトンノイズに由来する統計的な視線速度誤差を上回ってしまう
視線速度変動 2 m/s => 波⻑変動 7x10-9 μm波⻑要素の約2000分の１
検出器ピクセルの約1000分の１
ドップラー分光器ではスペクトルを安定させるための⼯夫が必要
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本発表の流れØ 科学⽬標とアプローチ
Ø 装置概要と設計仕様
Ø スペクトル変動を抑えるための⼯夫
Ø 開発体制と進捗状況

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ファイバースクランブラー
モーダルノイズによりファイバー出射⾯での輝度分布が変動することで、検出器⾯での各波⻑のファイバー像重⼼位置が変動する
n出射⾯輝度分布を⼀様にするため、以下のいずれかまたはその組み合わせを⽤いる

Kotani et al. 2018

Ishizuka et al. 2018
曲げスクランブラー• ⻑いファイバー
• ⼋⾓形ファイバー• 曲げスクランブラー• ねじれスクランブラー• Nearfield–Farfield Exchange coupler
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温度制御システム
ラジエーションシールド (RS)
光学定盤

キネマティックマウント
ガラス
エポキシ板
光学システム

スライドレール

冷却板

検出器 +カメラパルスチューブ冷凍機

スライドベース板
⾚︓180K (冷凍機熱パス)
橙︓180K (放射冷却)
⻘︓60K (冷凍機熱パス)

ソルベイ冷凍機

分光器光学系の温度変動により各波⻑のファイバー像重⼼位置が変動する
n冷却板・RSに熱パスを繋ぎ、多数の温度センサーとカプトンヒーターを⽤いて温度制御する (⽬標<+/-数⼗mK)
n放射冷却でRS内部の光学系を冷やす
n断熱のためガラスエポキシ板によって冷却板を３点で吊り下げ⽀持する

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温度制御システム
n作業効率の向上のため、スライドレールに沿って光学系を外に引き出せる機構を装備

チャンバー

作業⽤ベンチ
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@ 国⽴天⽂台 三鷹キャンパス
開発棟３号館305室
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波⻑同時参照システム
n天体光と同じ分光器光路を通った波⻑参照光のスペクトルを同時取得し、それらの間の相対的な変動に着⽬することで、装置の不安定性の影響を低減する
n⽩⾊光をファブリペローエタロンに通し、等周波数間隔で輝線を⽰す参照スペク
トルを得る
n波⻑の絶対値を知るために ThAr ランプを併⽤する
参照スペクトル

天体スペクトル波⻑

次数
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本発表の流れØ 科学⽬標とアプローチ
Ø 装置概要と設計仕様
Ø スペクトル変動を抑えるための⼯夫
Ø 開発体制と進捗状況

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開発体制

※ 下線付きは⼤学院⽣

コンポーネント

メンバー（敬称略）

PRIME 望遠鏡

⼤阪⼤（住、鈴⽊、平尾、他）

PRIME⽤ファイバー⼊射モジュール
エシェル分光器
分光器温度制御システム
波⻑同時参照システム

アストロバイロジーセンター
国⽴天⽂台
総研⼤
東京⼤

（⽥村、⼩⾕、⾼橋、葛原、細川、多⽥、⻄川、上⽥）

分光器⽤検出器モジュール

⿅児島⼤（永⼭）

IRSF⽤ファイバー⼊射モジュール

名古屋⼤（國⽣、⼩﨑）

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進捗状況
コンポーネント
初期運⽤開始PRIME 望遠鏡

PRIME ⽤ファイバー⼊射モジュール 前段光学系のみ製作済み。
エシェル分光器

光学設計は完了。機械構造設計中。
⼀部の機械構造を除き本年度中に製作完了⾒込み。

分光器温度制御システム

ラジエーションシールドと熱パスを除く構造部品は製作済み。ヒーター選定中。
まずは冷凍機ヘッド温度制御試験を予定。

波⻑同時参照システム

来年度設計予定

分光器⽤検出器モジュール

機械構造設計中。読み出し試験を準備中。

IRSF⽤ファイバー⼊射モジュール

⼤気補正光学系の実証実験を準備中。

0%

100%

→ 2024年に南アへ輸送、ファーストライト予定

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まとめ
n若いガス惑星、ハビタブル惑星の探索を⽬指して近⾚外ドップラー分光器を開発中
nPRIME、IRSF（将来的にはSALT）とファイバー接続することで多くの望遠鏡時間を獲得し、⻑期的かつ⾼頻度な視線速度モニター観測を実現する
nファイバースクランブラーと温度制御システムによりスペクトルを安定させ、装置由来の視線速度誤差を抑える
n波⻑同時参照システムを⽤いて、残されたスペクトル変動を補正する
n分光器部分は来年度から組み⽴て・試験段階に⼊る
nファイバー⼊射モジュール、波⻑同時参照システムは引き続き設計を進める

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