TAO/MIMIZUKU による中間赤外線モニタ観測のための高精度フラット補正システムの開発*成瀬 日月(1), 上塚 貴史(1), 宮田 隆志(1), 酒向 重行(1), 大澤 亮(2),左近 樹(1), 浅野 健太朗(1), 橘 健吾(1), 飯田 熙一(1)(1) 東京大学, (2) 国立天文台

Abstract
1. Introduction

4. Results & Discussion

中間赤外線で高精度なフラット補正を• Flat Calibration Unit を用いて作ったフ行うためのユニットが必要
2. Design
検出器を一様照射し、そのフラックスを時間変化させられるユニットを開発
3. Experiments & Data Analysis

7.7, 9.6, 11.5, 20.9 μm でフラット画像を作成してその精度を評価
2022/12/18

ラット画像は従来のものに比べて定性的にも定量的にも平坦• 傾きの不確かさと時間不安定性がフラットの精度を劣化させ得る• 時間不安定性にはピクセルごとのゲインのランダムな不安定性に加え、レンズの吸収係数の時間変化が寄与
2

TAO/MIMIZUKU• 時間軸天文学の重要度は増しているが、中間赤外線モニタ観測体制は貧弱• TAO/MIMIZUKU は世界初の中間赤外線モニタ観測拠点• 高精度なフラット補正 で従来より 1 桁高いモニタ測光精度 1% を目指す

2m

TAO 6.5-m 望遠鏡
2022/12/18

1. Introduction

MIMIZUKU
3

どのようにフラット補正の精度を高めるか

大気背景光の時間変動を用い、非線形領域で有効なフラットを作成• 精度 0.5% 程度のフラット補正を達成 (Michifuji et al. 2020)• 大気条件が悪いときに限る：これを解決するユニットの開発が必要
2022/12/18

1. Introduction

4Flat Calibration Unit
• 改良フラット補正をいつでも行えるユニット• 黒体を光学系の瞳位置に置くことで、検出器を一様に照射する• 黒体温度を時間変化させることで入射光子数を変化させる430 mm

2022/12/18

2. Design5

フラットの作成
ある
ピクセルのカウン
ト
平均カウント (入射光子数の指標)

傾きを2次元配列に (フラット)2022/12/18

3. Experiments & Data Analysis

6黒体差分画像の作成

Si:As 1k 検出器 @ 9.6 μm
2022/12/18

3. Experiments & Data Analysis

7レンズによる吸収・反射の補正
フラット補正後黒体差分画像(吸収・反射補正前)

吸収・反射補正マップ/2022/12/18

フラット補正後
黒体差分画像(吸収反射補正後)=

3. Experiments & Data Analysis

8データ解析のフローチャート

2022/12/18

3. Experiments & Data Analysis

9従来法と改良法の精度• Flat Calibration Unit を用いることで ① 検出器上部ほど暗くなるパターン
および ② 短冊の境界に現れるパターンの補正に成功。定量的にも改善。

2022/12/18

4. Results & Discussion

σ = 0.30%

σ = 0.43%

σ = 1.33%

σ = 1.88%

σ = 0.41%

σ = 0.89%

σ = 1.62%

σ = 1.33%10

改良法の不確かさの内訳
傾きの不確かさ時間によるばらつき• フラットの決定不確かさ• フラット取得時と観測時で検出器• 最小二乗フィットの傾きの不確かさから推定• フラットを 29 時間モニタしたときの変動から推定ある
ピ
ク
セルのカウント
平均カウント (入射光子数の指標)

2022/12/18

特性が異なることによる不確かさ

ある
ピ
ク
セルのフ
ラッ
ト

4. Results & Discussion

29 時間11

改良法の不確かさの内訳
波長精度（上限値）

7.7 μm内訳
傾き時間変動未同定0.30%

0.15%

0.13%

0.22%

9.6 μm

0.43%

0.19%

0.12%

0.36%

11.5 μm

0.41%

0.18%

0.22%

0.31%

20.9 μm

0.89%

0.41%

0.52%

0.59%

• フラットの不確かさ ＜ 目標のモニタ測光精度 ~ 1%
• 傾きの不確かさは支配的ではない• 未同定は焦点面に置いた黒体の菱形模様（右図、フラットの不確かさではない）に支配されている• 時間によるばらつきはどのような性質を持つか？
2022/12/18

4. Results & Discussion

12時間によるばらつきの評価
時間
改良フラットフラットモニタ図𝑡1(𝑥, 𝑦) のフラット(𝑥, 𝑦)
改良フラット各ピクセル
で 𝜎/𝜇 を計算

𝜎𝜇𝑡2
(𝑥, 𝑦)

𝜎

時間不安定性マップ(𝑥, 𝑦)…
改良フラット時間

𝑡10(𝑥, 𝑦)
2022/12/184. Results & Discussion13

時間によるばらつきの評価• フラットモニタ図がランダムに変化→ ピクセルのゲインのランダムな不安定性• フラットは 29 時間にわたって安定 → フラットは一晩に一回取れば十分
実際のフラットモニタ図

2022/12/18（参考）系統的な変動がある場合

4. Results & Discussion

14

時間によるばらつきの評価
時間
改良フラットフラットモニタ図𝑡1(𝑥, 𝑦) のフラット(𝑥, 𝑦)
改良フラット

各ピクセルで 𝜎/𝜇 を計算

𝜎𝜇𝑡2(𝑥, 𝑦)

𝜎

時間不安定性マップ(𝑥, 𝑦)…
改良フラット時間

𝑡10(𝑥, 𝑦)2022/12/18

4. Results & Discussion

15

時間によるばらつきの評価• レンズ中心付近は不安定性が大きい→ シリコンレンズの吸収係数の時間的不安定性観測された不安定性は ~ 1℃ の温度ゆらぎを示唆 (cf. Hawkins 1998)（参考）
Correction map

2022/12/18

4. Results & Discussion

16Conclusions
波長精度（上限値）

7.7 μm内訳
傾き時間変動

未同定

0.30%

0.15%

0.13%

0.22%

9.6 μm

0.43%

0.19%

0.12%

0.36%

11.5 μm

0.41%

0.18%

0.22%

0.31%

20.9 μm

0.89%

0.41%

0.52%

0.59%

• フラット補正の不確かさ ＜ 目標のモニタ測光精度 ~ 1%
→ Flat Calibration Unit を用いたフラット補正は~ 1% 精度のモニタ測光を行うのに十分なレベルに達している• フラットは 29 時間にわたって安定→ フラットは一晩に一回取れば十分であり、観測の邪魔になる心配はない
2022/12/18

17

Appendix

サイエンスゴール• 生命や地球の起源を探る• 発見された系外惑星数：5200 以上（2022 年 12 月時点）
• 居住可能惑星数：60 程度（2022 年 12 月時点）

• 地球型惑星形成過程には謎が多い• 特に、最終段階で起こるとされるジャイアントインパクトについては、太陽系外において決定的証拠が見つかっていない
2022/12/18

1. Introduction19

中間赤外線モニタ観測の重要性と課題
なぜ中間赤外線なのか？

なぜモニタ観測なのか？

→ ダストを見るため→ 変光を捉えるため

Giant Impact
想像図

ID8 (Meng+2014)

中間赤外線モニタ観測体制は貧弱
2022/12/18

1. Introduction

20

大気の較正｜2視野同時観測システム Field Stacker• 2つの天体を同時に撮像することで大気吸収の影響を排除

2022/12/18

1. Introduction

21

光学設計
• レンズの曲率半径（焦点距離）を収差が最小になるよう最適化
MIMIZUKU
焦点面校正用レンズ
黒体

2022/12/18

2. Design22

レンズによる吸収と反射の補正
モデル式

一往復反射光の光路

2022/12/18

3. Experiments & Data Analysis

23

開口測光を行ったときに予測される精度

波長

精度（上限値）

7.7 μm

内訳
傾き

時間変動

未同定

0.30% (0.26%)

0.15% (0.043%)

0.13%

0.22%

9.6 μm

0.43% (0.39%)

0.19% (0.046%)

0.12%

0.36%

11.5 μm

0.41% (0.38%)

0.18% (0.035%)

0.22%

0.31%

20.9 μm

0.89% (0.79%)

0.41% (0.046%)

0.52%

0.59%

2022/12/18

4. Results & Discussion

24