中間赤外線高分散分光観測装置の開発
ＧＩＧＭＩＣＳ(Germanium Immersion Grating
Mid-Infrared Cryogenic Spectrograph)
Wide coverage: 7.5<λ<13.5um, High dispersion:
R～40,000, Designed for line survey and search forinterstellar moleculesechelle grating
groove interval : 0.6 mm
blaze angle : 68.75 deg.
order : 344 – 560 thsize : 30 × 30 × 72 mm
Surface roughness: ~3nm

名古屋大学環境学研究科/地球惑星科学教室
平原 靖大
可視赤外線観測装置技術WS 2013/12/17

AtmosphericTransmittanceSpectroscopic observation in the
Astronomical “N-Band” ：８~13 μm

1 kn=• “All molecules have Vibrational transition”:
m2p• Fingerprint region (指紋領域) for Organic moleculese.g. streching of C-C C-O C-N, Bending of C-C-C• vibration-rotation transitions of Methane, Ethane, Ammonia,
N2O, O3, SO2, H2O, CO2, SO2, H2S, NOx, Halogen Oxides, etc.

Highdispersion:
R>30,000Vib.Rot.
Transitions
resolvable for various ”tri-atomic” molecules: CnHm(+, -)==Key species in Astrochemistry

42
H2

H2

C4+

HC11N++C4H
C3H2eCeC

HC9N

C3H

C3H3+

HC7N

H2

Chemical Reaction Network Scheme C3H
CIn ISM+HC5N+C3O

C2H2e+

H2C3O
C2H4e

CH3eeOH+

H3Oe+

C2H

C+CH5CH3OH, ee

CH 3OH2CH3CO++H2OeCH3NH3H2+CH2N+ e
CH3NH2 e

H2CN++H2O

H2CHC+OH

O+ e

CH3CNH

H2H2+eHCN+

CO

C2H5CNH

CH3CN

H2CH

H2O

HCN H C N
3 3HC3Nee

CH2COCH3+ 2+
C2H5+eCH4

H2CO
C2H 5OH
CH3OCH3CH3OHeCO++
H2+H2+COHCO

N2N2H++eC2H5CN
CH3CN
CH2NH
CH3NH2HCN

Interstellar Molecules

Detected in IR

Only(≒Nonpolar)○Simple Hydrides, inorganic species：
H2, HF, HCl, H2O, NH3, C2, O2, CH4, CO, CO2, N2O, H2S, CS, SO2, OCS, SiH4, SiO, SiS,NaCl, KCl, AlCl, AlF, PN, HCP○molecules in cyclic (AROMATIC) form：
c-C3H, c-C3H2, c-(CH2)2O, c-C3H2O(cycloprpenone), C6H6 (benzene), c- SiC2, c- SiC3, C60, C70(Spitzer)○”Cyanopollynes, polyacetylenes and related “LINEAR Carbon chains”：
C3, C5, C3O, C3S, C3O, C3S, H2C3, H2C4, H2C6, C2H2, HC4H(diacetylene）,HC6H(triacetylene), C2H4, C4Si, HCN, HNC, HC3N, HNCCC, HCCNC, HC5N, HC7N, HC9N,HC11N, CH3CN, CH3NC, CH3CH2CN, CH3C3N, CH3C5N, CH3CCH, CH3C4H, CH3C6H,C2H5CN, C2H3CN, C2H5CN○Ions：
H3+, CH+(OPT), CO+, SO+, CF+, HCO+, HOC+, HN2+, HCS+, H3O+, H2COH+, HOCO+,HCNH+, HC3NH+, C4H−, C6H−, C8H−, C3N-, C5N- , H O+, H O+, OH+, SH+, H Cl+(Herschel)
232○Radicals：
CH, CH2, CH3, OH, NH, NH2, SH, HNO, SO, NS, NO, SiC, SiN, NaCN, MgCN, MgNC,AlNC, SiCN, SiNC, NH2CH, HCO, CCH, C3H, C4H, C5H, C6H, C7H, C8H, CN, C3N, C5N,
H2CN, HCCN, HC4N, CH2CN, CCO, CCS, CP, PO○Aldehydes, Alchoholes, Ethers, Ketons, Amides and related species(“Pre-Biotic”
molecules)：H2CO, H2CS, CH3CHO, HNCO, HNCS, NH2CHO, HC2CHO, CH2OHCHO,CH3OH, C2H5OH, CH2CHOH, CH3SH, (CH3)2O, (CH3)2CO, HCOOH, HCOOCH3,CH3COOH, H2CCO, CH2CCHCN, CH2NH, CH3NH2, NH2CN, CH3CONH2Few IR “line survey” in IR, “No” laboratory IR data

4

The Mid-Infrared bands toward the new detection by GIGMICS/SUBARUSpecies(electronicstate)

Vibration
Mode

CH3+

ν1
ν2
ν3
ν4ν3
ν4
ν6ν22942)
137767)3090), 310867)
138767)3340 )
74170)
3159)
245673)

ν9
ν384573)1151)

ν3133276)

ν4
ν4, ν5ν3
ν4
ν6ν8ν494076)
1051, 1080)
1316)
91379)
79879)
108979)3206)

ν5
ν6ν6(1)ν6(2)ν31315, 131881)
93981)
112781)
115081)

ν11130)C2H2+(2Πu)
C2H3+(Nonclassical)
linear–C3H(2Π)cyclic–C3H(2B1)
linear–C3H2
cyclic–C3H2

cyclicC3H3+HCCCH2+linear–C2N(2Π)linear–NCO–

ν3Transition frequency (cm-1)
ab initio calculation

Matrix spectrum

Gas-phase spectrum–no data––no data–
3108)–no data–3136) （IR difference Laser spectroscopy）
75471), )（Laser Induced Reaction+ion trap）
3136, 3142)（IR difference Laser spectroscopy）
2217) (IR laser photodissociation spectroscopy)

1159.876)–no data––no data––no data–

1003, 999.2)
127978)88678)
78878)
106278)3130.4)1276)
90883)

1066)–no data––no data–
1277)（FTIR absorption spectroscopy）–no data–
77679) （FTIR absorption spectroscopy）–no data–
318281) (IR laser photodissociation spectroscopy)
129381) (IR laser photodissociation spectroscopy)–no data¬–
111181) (IR laser photodissociation spectroscopy)
122281) (IR laser photodissociation spectroscopy)1046)（FTIR emission spectroscopy）
1210) （IR Laser spectroscopy, by hot band）

2156)

2182, 212487) （IR Laser spectroscopy, by hotband）

Kanata 1.5-m telescope at HASC, Hiroshima Univ., Altitude: 503m=“Subaru simulator” at Mitaka, NAOJ, until 2005
2011: Jan-Apr, Target: Moon, Proto-Planetary Nebula, and Venus, etc.

GIGMICS with KANATA: 8-13 μm Echellegram toward the moon

• 412×4260 mosaic image, Diffration order 420<m<520
Ref: Grating equation: ml = “n”×d[sin(b) + sin(g)]• Assignment of the absorption “spot” by the HITRAN database• →vibration-rotation transition for•CO2:167、H2O 107、O3 78、N2O 78 lines, 377 in total.
• Least squares fit :λi=λi(m, x)→fitting rediuals (σ)：3.96 pixel
Definite assignment of m  daviated +1

初期成果I:惑星状星雲NGC7027での[S IV]輝線のマッピング (M2 青木)
Flux ： 中心部を極大とする強度勾配あり
Total Flux 1503Jy from 10″x4″ 長円形
Total throughput of Kanata-GIGMICS: ~15%
中心観測点での観測波長 λcenter=10.51130 (μm)
赤方偏移 (ref. λrest =10.5105μm)
VLSR ~22km/s
観測点間での速度差は少ない(σV < 4km/s)
双極ジェットとは独立
 ΔVFWHM ~40km/s resolved → T~1,000,000K：
Bipolar jet

HST/NICMOS (Latter et al., 2000)

Rest Frequency of [SIV] transition
λ (μm)

Robs

Lab. (λrest)

10.5105(1)100,000 Martin et al. (1990)

ISO-SWS

10.510(5)2,000 Bernard-Salas et al. (2000)

GIGMICS

10.51130(58)1σ

35,000

Reference(ΔV~7.5 km/s)

金星大気雲頂領域におけるCO 2の観測(M2 柴田)
Radiance (W/cm-2/sr/cm-1)

3.4E-6
3.2E-6
3.0E-6
2.8E-62.6E-613CO

2.4E-6
2.2E-6
924.0

*
926.0

2*

*
928.0

*

12CO
2930.0932.0
Wavenumber(cm-1)**934.012CO

2*936.0938.0• 東広島天文台 かなた望遠鏡• GIGMICS (Germanium Immersion Grating Mid-Infrared Cryogenic Spectrograph)• 2011年4月6日 AM5:50 明けの明星• 観測波数： 924 ~ 988 cm-1
2013/12/03 コロキウム

金星大気雲頂領域におけるCO 2の観測(M2 柴田)
Radiance (W/cm-2/sr/cm-1)

3.4E-6
3.2E-6
3.0E-6
2.8E-62.6E-613CO

2.4E-6
2.2E-6
924.0

*
926.0

2

*

*
928.0

*

12CO
2

930.0
932.0
Wavenumber(cm-1)

*

*
934.0

12CO

2

*936.0938.0• 東広島天文台 かなた望遠鏡• GIGMICS (Germanium Immersion Grating Mid-Infrared Cryogenic Spectrograph)• 2011年4月6日 AM5:50 明けの明星• 観測波数： 924 ~ 988 cm-1
2013/12/03 コロキウム

金星大気の放射伝達• 平行平面大気モデル• 中間赤外線領域であるため散乱の効果は無視し，大気分子，雲粒子による吸収のみを考慮

地表面の放射 透過率

大気の放射透過率• 光学的厚さ … Line-by-Line法により算出• 標準大気モデル（VIRA），雲モデル• 吸収線パラメータ：HITRAN 2008
（CO2，H2O，OCS，SO2）
735K Black Body
2013/12/03 コロキウム

観測結果とモデルの比較（1）• 観測された振動回転スペクトル• 12CO2 (ν3+ν2) ← (ν1+ν2) 30本• 13CO2 ν3← ν1 13本：すべての吸収が“深い“Normalized Radiance

1.00

0.98

0.96

0.94

12CO13CO

212CO

22

Obs200180
Obs150Obs
120
89890.92

929.2

929.4

良い一致を示す

929.6

929.8
Wavenumber (cm-1)

930.0

ピークの深さモデル ＞ 観測930.2

2013/12/03 コロキウム

観測結果とモデルの比較（3）• 13CO2 v3 ← v1 Measure vs Calculation
10%

MeasureCalc(89)

8%

Line Depth

Calc(160)
6%

4%

2%

0%
R14

R16

R20

R22

R24

R26

R32Transition
2013/12/03 コロキウム

結果 雲頂付近の12CO2/13CO2＝160±32• 下層大気（～89）と異なる高い値• 同高度領域で異なる12CO2/13CO2比 (Bezard et al. (1987))

middleBezard et al. (1987)
50This Studylower

Altitude (km)100

Terrestrialupper• 12CO2と13CO2の同位体分別の過程の存在を示唆

in situ measurements
ground-based

050100150
12C/13C Ratio

2002502013/12/03 コロキウム

光解離による同位体分別• 12CO2と13CO2の光解離波長は厳密には異なる
12CO の吸収が213CO の吸収が2強い波長の紫外光

紫外光はすぐに減衰

強い波長の紫外光

Absorber
12CO > 13CO
22

紫外光は減衰しにくい

優先的な13CO2の光解離

紫外光の届かない高度（Krasnopolsky (2012)では65km前後）• 本研究の観測高度域： 65 ~ 71km
• 13CO2の光解離が優先

高12CO2/13CO2同位体比
2013/12/03 コロキウム

GIGMICS 外部ビューア光学系(海老塚他)
GIGMICS Cryostat
GIGMICS Aperture③GreenLED②⑨④⑧⑦⑩⑤①
Collimated He-Ne Laser① PCX Lens f=6mm φ6② CCTV Lens f=50mm F/1.4③ a pair of Half Mirrors④ 光軸記憶用Iris Diaphragm⑤ 結像用PCX Lens f=250mm φ30⑥ Aperture Stop
⑦ Achromatic Lens f=75mm φ25⑧ Plossl Eyepiece f=25mm⑨ CCTV Lens f=12mm F/1.2⑩ CMOS Image Sensor (USBでPCへ)⑥

GIGMICS N-band全域波長校正ガスセル(B4 仲本)
CH4, NH3, C2H4, ~100mmTorr
光路長 100mm, 開口径20mm
Material: Pyrex + BaF2 Window
Torr-Sealによる接着試験中
目標：“メンテナンスフリー“↓
3つ目：～1週間圧力変化 無完成か！と思われたが、、、

ある朝、窓材亀裂

Last Slide: GIGMICS in future
Carry-in instrument proposal submitted Jan. 2013
Under Preshippment Review in Nagoya Univ. Landing: 2015?

Mounting GIGMICS on Nasmith-IR stage: precise and quick alignment necessary

可動域：5mm(XYZ)
0.4deg (φ、θ)独立組み立て式、再現可能