JASMINEでの精密測光・位置天文に向けた新しいフラット補正技術と検出器特性精密測定方法の開発
多田将太朗 (総研大 D1), 小谷隆行 (ABC/国立天文台/総研大),片坐宏一, 和田武彦, 河原創, 臼井文彦 (宇宙研),
鹿野良平, 宮川浩平, 郷田直輝 (国立天文台), 他 JASMINE チーム

目次
• 背景
• JASMINE• JASMINEでの検出器特性の補正の必要性• 軌道上フラット補正と地上での精密測定• 概要• 現在の状況• フラット補正の詳細• 精密測定の詳細

• まとめ

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JASMINE (Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration)
主なパラメーター• 2028年の打ち上げを目指す赤外線位置天文観測衛星◼ 銀河系中心領域の位置天文観測• Gaiaレベルの精度 (∼ 25 µas) で位置天文観測• 天の川銀河中心領域の構造と形成史を明らかにする• Gaiaの観測波長 (330-1050 nm)ではダストによる減光の影響が大きく、銀河系中心領域の観測が難しい

1.0 – 1.6 µm

観測波長
望遠鏡直径36 cm

視野0.6°×0.6°

ピクセルスケール◼ 系外惑星探査424 masOrbit of JASMINE• M型星のトランジット観測• 地球型惑星の発見を目指す• トランジットによる減光 ∼ 0.1 %• TESSの観測波長 (0.6-1 µm) や口径 (10.5 cm)では中期~後期M型星は暗く、地球型惑星の検出が難しい

Astrometry
Exoplanet
SurveySun

Exoplanet
SurveyGalactic
CenterAstrometry

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JASMINEでの検出器特性の補正の必要性• 検出器特性が測光・位置天文の精度に影響• ピクセル間・内部の感度むら

ピクセル内部の感度むらの例(Vorobiev et al. 2019)

フラット補正前• ピクセルの位置ずれ、サイズのばらつきなど• 星像位置の変化により見かけの明るさが変動、測光での系統誤差の原因に• Kepler, TESSは衛星の精密な指向制御により星像位置を検出器上で固定• JASMINEでは検出器感度むらの補正（フラット補正）が必須

フラット補正後• 地球型惑星検出にはフラット補正精度0.1%が必要• 位置天文の目標精度 (25 µas = 6×10−5 pixels)
達成にもフラット補正が重要
JASMINEでのM型星周りの地球型惑星トランジット観測シミュレーション。
フラット補正前と後。（天文学会2022秋季年会 Z221a 平野さん講演）
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検出器特性の補正手法の開発◼ シングルモードファイバーを使った軌道上フラット補正• 経年変化も含めた検出器全面のフラット補正• 地上での事前測定、恒星を利用したフラット補正と併用

光源

検出器

• シンプルな構成で、小型衛星にも搭載しやすい◼ 干渉縞を利用した、地上での検出器特性の精密測定• ピクセルの位置のずれ、サイズのばらつきなどの測定を地上で行う• 高精度での視線速度測定を目指す高分散分光器の開発にも有効

光源

位相変調器

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検出器特性の補正手法の開発の状況• 今後、検出器試験と並行してフラット補正や精密測定の実験を行う• JASMINEに搭載予定のInGaAs赤外線検出器の試験器を使用する
2022

2023

検出器試験の準備(真空、冷却、読み出しエレキなど)

検出器試験

InGaAs検出器での実験の準備(解析や装置の検討、可視のカメラでの実験)

InGaAs赤外線検出器 (Nakaya et al. 2016)

InGaAs検出器での実験
フラット、精密測定

検出器試験の様子

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シングルモードファイバーを使った軌道上フラット補正• 光源とファイバーのみで可能• 積分球等の一様光源を使用するよりシンプル

光源

検出器

• シングルモードファイバーの光出射パターンは既知で極めて安定 (ガウシアンに近い)• 測定データをモデルでフィットして割る→ ピクセル間感度むら（フラット）を取得• 光源はSLD (Superluminescent diode) かLED
• 広帯域であり、ゴーストとの干渉を抑えられる

測定データ

モデル

フラット7/14仮定した光源のスペクトル

フラット補正：光源の明るさについて• JASMINEでのフラット補正に必要な光量の見積もり• 1秒で光子が最大15万個/pixel程度の光量が必要• 光源のスペクトルはSLD（S5FC1021P）• 中心波長1310 nm, FWHM 85 nmのガウシアンを仮定• シングルモードファイバーはPM980-XP• 波長範囲 970-1550 nm, コア直径 5.5 µm, NA 0.12

• ピクセルサイズ10 µm, ピクセル数4000*4000• ファイバーの先端は検出器から64 cmの位置• 検出器効率0.8の場合、必要な光量は1.55 × 10−6 W• SLD ～10mWは明るすぎる• LEDでも十分かもしれない• LEDからファイバーに光をどれだけ入射させられるか調査する
光の全エネルギーが1 Jのときのピクセルごとの光子数（検出器効率は考慮していない）

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フラット補正：現状と今後• InGaAs検出器の試験器 (128x128ピクセル) での実験を予定

真空チャンバー• 可視のカメラでの実験、光源の特性の調査も進行中

ファイバー
マウント

データ(200x200ピクセル)

モデル(ガウシアン)

検出器
(箱の中)

データ÷モデル• カメラの封入ガラスによる干渉パターンが見えている• JASMINEでもフィルター等で干渉パターンが出るかもしれない• 解析方法の検討が必要• 干渉パターンを取り除くにはファイバーが複数必要• ガウシアンプロセスでの干渉パターンのフィットなどを検討中
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干渉縞を利用した検出器特性の精密測定
光源

位相変調器

• ピクセルの位置ずれ（感度重心のずれ）・サイズのばらつきを調べる

干渉縞モデル• 2本のファイバーと検出器の間に何もなければ、検出器上には理想的なsin波に近い干渉縞• 干渉縞の位相や向きを変えた複数の画像が必要→ 縮退が解け、ピクセルの位置ずれ（感度の重心のずれ）やサイズのばらつきの2次元の情報が得られる• シングルモードファイバーを使用• 光源はSLD+狭帯域フィルターを検討中• ゴーストとの干渉を抑えつつ干渉させる

ピクセルの位置ずれ (Crouzier et al. 2016)10/14

検出器特性の精密測定：理論

位相をずらしていく• 干渉縞をsin波で近似（ 𝜃 は干渉縞の位相）𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝐼0 + 𝑉 cos 𝑘𝑥 𝑥 + 𝑘𝑦 𝑦 + 𝜃• 感度が一様な矩形のピクセルを仮定• 中心 (𝑥𝑖𝑗 , 𝑦𝑖𝑗 )、サイズ 𝑝𝑥 × 𝑝𝑥 , 量子効率𝑠𝑖𝑗 のピクセル𝑖𝑗での𝑝𝑦𝑝𝑦𝑝𝑝
測定値𝐼𝑖𝑗 (𝑥𝑖𝑗 − 2𝑥 < 𝑥 < 𝑥𝑖𝑗 + 2𝑥 , 𝑦𝑖𝑗 − 2 < 𝑦 < 𝑦𝑖𝑗 + 2 で積分)

𝐼𝑖𝑗

ピクセルA
ピクセルB

𝑘𝑦 𝑝𝑦𝑘𝑥 𝑝𝑥
𝐼𝑖𝑗 = 𝑠𝑖𝑗 𝑝𝑥 𝑝𝑦 𝐼0 + 𝑉 sincsinccos 𝑘𝑥 𝑥𝑖𝑗 + 𝑘𝑦 𝑦𝑖𝑗 + 𝜃
22
平均値→位相→位置ずれ
振幅(ビジビリティ)→サイズ
相対感度×サイズ• 𝐼0 , 𝑘𝑥 , 𝑘𝑦 , 𝜃は全体の画像から推定する

sinc 𝑥𝜃
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検出器特性の精密測定：装置• ファイバーストレッチャーで位相変調• 位相差を安定させるために温度コントロール断熱材の箱

フィードスルー
真空チャンバー
ファイバー
アレイ

SLD
1310 nm

狭帯域
フィルター

ファイバー
ストレッチャー

ファイバー
ストレッチャー

温度コントロール検出器
ピエゾステージ

精密に
温度コントロール

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ピクセル内感度むらの測定

11.80 mm

• 干渉縞を利用してピクセル内感度むらを測定できるか• 基線がたくさん必要• 位相の情報を得られるか• 30 umを30分割して内部感度むらを測定するために必要な空間周波数：1/30 um, 2/30 um, …, 15/30 um

1.747 mm 3.493 mm 1.310 mm
0.873 mm0.437 mm

• ピクセルピッチ: 10 umで3×3ピクセルの領域• ファイバーアレイは波長1310 nmでこれらの干渉縞を作れるようなものを設計

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まとめ
• JASMINEでは検出器特性の補正が必須• シングルモードファイバーを使用した軌道上フラット補正手法を開発中• 必要な光量を見積もった• 干渉パターンの除去方法を検討中• 今後、InGaAs 検出器の試験器での実験を行う• 干渉縞を利用したピクセルの位置ずれ・サイズのばらつきの測定手法を開発中• 装置の構成がほぼ固まってきた• 今後、InGaAs 検出器の試験器での実験を行う• 干渉縞を利用したピクセル内感度むらの測定方法を検討中

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