南極赤外線望遠鏡の開発
Antarctic Infrared Telescope (AIRT)市川隆
東東北大学理学研究科天文学専攻
研究科
専

内容
1.
2.
3
3.
4.
5.

南極で目指す天文学
南極目指す天文学
望遠鏡と観測装置の仕様
南極の環境とサイト調査
望遠鏡建設のための諸問題
今後の展望主な科学的目的
 スーパーアースを持つ多惑星系のトランジット
連続観測による系外惑星の大気構造の研究
 テラヘルツ望遠鏡と共同観測によるダストに覆われたhigh-zスタ バ スト銀河の広域探査とわれたhigh-zスターバースト銀河の広域探査と星生成活動の研究
 ヘテロダイン赤外線分光器による惑星の大気循環構造の研究＋南極の環境必要とする仕様、開発• High
High-zで、ダストに覆われた銀河zで、ダストに覆われた銀河銀河での星生成の進化吸収の影響は?

赤外線銀河の占める割合
Goto+ (2011)

Hoplins+ (2006)

z=2-3 ((10Gy-11Gy)にピークyy)クz 1 5から過去 急激に大きくなるz~1.5から過去、急激に大きくなる• High-zでのスターバースト銀河探査
サブミリ銀河(SMG)
SSA22 (z～3)
すばる+MOIRCS

かろうじて見えるAzTEC20の近赤外線画像

AzEC1とSMA860μm

ビームサイズが大きい

Uchimoto+ (2012)

High-z銀河はしばしばclumpy

高 空間解像度が必要
高い空間解像度が必要

Hodge+(2013)

SMGをALMAで見ると、多数のclumpから成っている• ダストに覆われたhighダストに覆われたhigh-zスターバースト銀河zスタ バ スト銀河
z=6.5のHershel銀河(2000Msun/yr)
250 350250-,
350 500-μm
500

1 hour integration

10m THz telescope
Confusion limit

SPICA

ALMA

Riechers+ 2013
AIRT

2.4μm, S/N=5 (1 hour)

近赤外線で深い観測 太陽系惑星の大気構造• 中間赤外線ヘテロダイン分光• λ= 7-13μm, (17μm)• R = 106-7• Band Width 1GHz

Nakagawa+ 2013

mixing ratio
ratio, velocity
velocity, pressurepressure, excitation
condition, temperature, and the verticalinformation of H2O, CO2, O3, CO, HO2, ...

高い波長分解能
安定した環境Hiroshima 1.5m telescope 地球型惑星の水蒸気大気の検出

吸収放射

赤 線 温度
赤外線:
可視光: 散乱Transmissiona s ss o spec
spectroscopy
oscopy
大気成分、散乱

トランジット観測によるTransmission Spectroscopy
大気を持つスーパーアースについての観測例はごくわずか(1~3例)()

Hubble望遠鏡による最近の高精度観測
雲の大気

変光量 ~ 0.01 – 0.1 %

分光分解能~70
12 transitsの重ね合わせ
誤差30ppm

Kreidberg+ (2014)

長期間、ハッブル並の安定した観測 2.5m
2 5m 赤外線望遠鏡

京都大学の岡山3.8mの技術

約5億円

Okayama 3.8m telescope
New technology of telescope mountK it (2009)
Kurita+• LiLight
ht weighti ht• Easy to assemble三色赤外線カメラ 低分散多天体分光モ ド付き
三色赤外線カメラ・低分散多天体分光モード付き
1µm-5µm 3色同時
1色は低分散分光(r~50-100)

InSb 2Kx2Kx3

Proto model

Under assembling
2Kx2K VIRGO (1~2.5μm)
256x256x2 InSb (2.5~5μm)

基本的仕様広視野で高空間分解能
広視野(7.5’x7.5’)、回折限界(0.2”@2µm)

 ピクセルスケール 0.221”のカメラ 瞳収差量 630‐ 760μmのコリメーター(MOIRCS程度)リメ タ程度
分光用にコリメータが必要

高い測光精度
迷光が5 ‐ 6%

光学系全体図
Obata (2015)

2.5～3.5μm

1～2.5μm

3.5～5μm
望遠鏡方向

カメラ評価結果 : 目標値をほぼ満足• スポットダイアグラム– JHKは2pixel四方 / Ant,LMカメラは回折限界内に収まる
スポット径• エンスクエアドエネルギーダイアグラム– 回折限界の距離(レイリーの評価基準)で70%程度• ストレール比– 0.8程度• ディスト―ション 1%

カメラ評価 / スポットダイアグラム

AntカメラJHKカメラJHKは黒枠(2pixel四方)、Ant,は黒枠(2四方) A LMは黒い円(回折限界)は黒い円(回折限界)に収まっている.

2014/2/3

LMカメラ

目標値を満足しているカメラ評価/ エンスクエアドエネルギーダイアグラム

70%

Kバンド

Antバンド• 全バンドで回折限界の線と同等の70%の光量が収まっている17カメラ評価 / ストレール比

Kバンド

•

•

A tバンドAntバンドKバンドの視野端でもストレール比0.75程度(左図)– 0.8という目標値より少し低いが、目標値とほぼ等しい。これ以上の改善は厳しい?
厳
AntバンドがKと比較してPSFが広がっているは、回折の影響

今後の検討
2色+分光系外惑星に特化した多天体分光機能J

簡単な多天体用スリットマスク

K~10 参照星KECK MOSFIREの例
R~100
1~5μm
McLean+ 2010

昭和基地

設置する場所
新ドームふじ基地

国立極地研究所ドームふじ基地

口径2.5m望遠鏡

 南極の環境
南極 環境
 高い晴天率 (快晴68%、晴れ85%) 卓越風向がなく、弱い風 高い透明度、低い水蒸気量 (0.14mmPWV、冬期50%)
 低い大気背景光
冬期 近赤外線
冬期は近赤外線でマウナケアの1/50～1/100
ウ 大気透過率の高い安定性
 優れたシーイング (可視光0.2(可視光0 2”(50%)(50%)、地上約15m高)地上約15m高) 継続観測 (赤緯-20度以下で周極観測可能)
冬期 時間、約 ヶ月間(波長 依存) 連続観測可
冬期24時間、約5ヶ月間(波長に依存)の連続観測可21

ド ムは常に高気圧帯で大気が安定
ドームは常に高気圧帯で大気が安定

リッジA

新ドームふじ•風

チリ: 5000m、平均6.1m

• 晴天率夜間の雲量（年平均）
Saunders+(2009) 衛星データによる

ドームふじ（極地研実測⇒）完全な晴天＝68% (1994-95、年間)
晴天=85%?
24

• 水蒸気量(PWV)(S(Saunders+d2009)

衛星のデータから推定
現地調査と良い一致
Takato+ (2011)(μm)

新ドームふじ基地
新ドムふじ基地 ～ ド
ドームＡムＡ

新ドームふじ基地
水蒸気量～10%低25

大気の透過率。マウナケアとの比較
altitude

PWV

blue

Dome Fuji

3810m0.2mm

redMounakea

4200m

1mm

Near-infraredMid-infrared高い透明度
高 透明度
第1食トランジット

第2食による大気温度

SuperEarthHot Jupiter 安定した大気
大気の水蒸気量の変化
Rid Aでの最近の810GH
Ridge
Aでの最近の810GHz観測
観測
APEX (Chajnantor)
2012
APEX (Chajnantor)
2013
Ridge AA, 2013

冬のmeidan
冬のid 00.13mm
1330%は0.1mm以下

Kulesa (2013) サイト調査 2006-2013
大気擾乱month
SODAR (NOAJ)

Takato (2006)

SNODAR (UNSW)シ イング観測
シーイング観測

温度勾配

高い大気安定性
大気の擾乱
ドームふじの夏
ド
ムふじの夏0.2”以下のシーイング

Okita+ 2014
ドームふじの冬ド
ムふじの冬

冬は0.25”(可視光)のシーイング
1.25μm以上では回折限界

上空大気の安定性
冬のドームC

Agabi+ 2005

大気の擾乱は大半が接地境界層の中で起きている
南極内陸上空にはジェット気流はない 地球上最高のシーイング
球 最高グ－雪面から高さ15mで0.2秒角（天頂、可視光）－
Okita+201311m

 接地境界層の上に出ると0.23”
 接地境界層の厚みは1-5月の晴れの日では半分が15m
 冬では半分以上が0.23”

 低い大気赤外線放射
気赤 線放
altitudetemperature

blblue

D
Dome
FFuji
ji

3810
3810m

70℃
-70℃

red

Mounakea

4200m

0℃

Near-infrared

実実測

OHの観測例が少なく、1/3を仮定

Mid-infraredすばるとの撮像検出限界の比較

PointP
i t sources withith
1 hour integration
S/N=5

SubaruAIRT0.2”0 12”
0.12”

0 24”
0.24
回折限界

すばるより良い感度
すばる
良 感度
ハッブル望遠鏡と同じ解像度

 6ヶ月間連続観測
長周期惑星と繰り返し観測

10µm可
望遠鏡は夏期も運用可>2.5µm可(6ヶ月)
月

極夜 (4ヶ月)多数の多惑星系の連続観測による、特に地球型惑星の多数の多惑星系の連続観測による
特に地球型惑星の大気構造の研究
複数の天体を準備し、次々に観測を続ける

極地研南極ドームふじ基地の天文観測所

南極内陸の極限環境における望遠鏡技術 未知の環境での望遠鏡・装置技術
低温下での建設・運用(‐80℃～‐20℃)
金属の低温脆性
水蒸気が過飽和
着霜雪面上での設営
基礎工事、不同沈下
1000kmの運搬振動 着雪・ダイヤモンドダスト対策
着雪 ダイヤモンドダスト対策
 細い通信でのリモート制御
 電力供給望遠鏡建設に関する諸問題
 建設作業は夏期のみ（２建設作業は夏期のみ（２－３ヶ月）３ヶ月）
 遠征隊は１
遠征隊は１－２ヶ月/年
２ヶ月/年• 国立極地研究所による越冬基地と設営のサポートは不可欠• 南極遠征は国家事業• 観測隊員も輸送力などで限定

一部は「宇宙環境」仕様で解決できるかもしれないが

将来の望遠鏡基地として、様々な中小望遠鏡
将来の望遠鏡基地として様々な中小望遠鏡の容易な建設のための安価な技術

既存の技術と市販品の活用

国内での極寒環境での実験‐80℃の冷凍庫‐60℃実験室(北大低温研)(乾燥室がない)-30℃北海道陸別町

ドームふじ基地遠征隊
2年に1回 1 2 月程度の現地での試験 観測
2年に1回、1‐2ヶ月程度の現地での試験・観測 ‐80℃で運用する小型望遠鏡と観測装置
80℃で運用する小型望遠鏡と観測装置
40cm望遠鏡と赤外線カメラ

2x10cmトランジット望遠鏡
ラ鏡－70℃で無人観測‐40℃で観測••••

ケーブル被覆の交換
ケブル被覆の交換
モーターのグリス交換
着霜対策．．．

 深刻な霜対策
過飽和水蒸気の状態なので、放射冷却する場所に着霜着霜しにくい塗料?

40cm望遠鏡裏にヒーター

無人発電装置PLATO F (UNSW)
無人発電装置PLATO‐F

一回の給油で1KWを2年間128kbpsでの通信ドームふじ基地への経路
経路

ドームふじ基地
3810m
2800m

Basler Turbo （BT67))

Novolazarevskaya
昭和基地

ケープタウンシドニー

フリーマントル

日本

しらせ日本

課題
主鏡の安全な運搬不等沈下対策
材料の低温脆性対策
圧雪地盤基礎の造成

超軽量2 5 南極赤外線望遠鏡
超軽量2.5m南極赤外線望遠鏡

観測装置
0.2~0.5トン

架台 6~7トン(ステンレス S304)

2.5m主鏡2~2.5トン(低膨張ガラス)接地境界層が低い
高度11m

自由大気が雪面近くにある!!

観測室 ~1トン
発砲スチロール
発砲スチロ
ル

全体で４0トン以内
望遠鏡9トンステージ <30トン
ドーム<3トン観測装置 1トン
クレーン他 <4トン

~10m

必要電力
11kVA(最大) 4kVA(平均)雪面上での建設

第54次隊
12ftコンテナ橇と観測室を途中で破棄

致命的な破損はなさそうトラブル：12ftコンテナ橇が故障

December 14, 2015

NIPR seminar / Kim, K

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主鏡の安全な運搬
主鏡は約2億円、製作に2年、破損に対して修理はできない

すばる望遠鏡用観測装置(２トン)の例

直径8.2m(23t)の鏡を運んだエアサスペンション（１）エアサス車を使えば、山頂ダートロードでも±１G 以下。
（２）トラックで慎重に運搬すれば±0.3G 以下（３）クレーンでの吊り上げ中の急停止に注意主鏡の安全な運搬
防振パレットの開発
振動が1G以下への低減

大型液晶パネルの運搬
三協マテリアルのカタログより

輸送物資の損傷
１．衝撃的動による損傷
２．連続振動による累積損傷・・・・・・赤外線望遠鏡の主鏡など
・・・電子制御機器など

３．共振による損傷 ・・・・・・・・・・・・・機器全般

約１か月間振動に耐えないといけない！

57

防振パレットの開発香川他2013

製作： 三協立山（株）
寸法： 2m×2m×0.67m
重量： 440kg
耐荷重 5ｔ
耐荷重：
材質： アルミニウム合金
防振ユニット：
防振ット 30個
実質的には
寸法： 2m×2m×0.17m
重量： 180kg

フォークリフト用パレットとして使用可
パ使
58

防振パレットの取付け

計測器
ウエイト・・・2.5ｔ×2個

防振パレット・・・三協立山（株）

簡易鋼鉄橇・・・（株）大原鉄工所
簡易鋼鉄橇（株）大原鉄工所
59

防振パレットの取付け

60

防振パレットの性能評価実験
GPS

加速度センサ
レートジャイロ
ロードセル
ド

牽引ロープ
・ソフトカーロープ
ソフトカ ロ プ・スチールワイヤー61

振動加速度F

Ax

AyAz

S‐2 上側 薄い色

防振後

S‐1 下側 濃い色

防振前

1G以内になっている

62

雪面上での建設
雪建
圧雪地盤の形成9mステージの設営

風洞実験によるドリフト・着雪対策

傾斜計による不同沈下の測定(現在も計測中)金他 2013

材料の低温脆性対策
オーステナイトステンレス

鉄 マルテンサイトステンレス
鉄、マルテンサイトステンレス
アルミ‐20℃以下で急激に衝撃に対し弱くなる

鉄骨材のシャルピ
シャルピー試験
実際にタワーに使った材料

鋼材のシャルピー試験

昭和基地、ド ムふじで崩壊した例はない(?)
昭和基地、ドームふじで崩壊した例はない(?)

鉄鋼材+溶融亜鉛メッキ

2年後、果たして倒れているかトラス 構造で、最大限の軽量化をしているので、1本が壊れると崩壊する
SPT(南極点 10m電波望遠鏡)の軸受けが壊れた 詳細 明
軸受けが壊れた(詳細不明)

基本構造はオーストナイト系ステンレス(SUS304)で製作
材料費は望遠鏡全体に占める割合は少ない
しかし、望遠鏡を支える市販品Rカイドはマルテンサイト(SUS440)
SUS304では焼きを入れることができないので製作不可

実際には、望遠鏡の荷重をサラバネである程度支え、Rカイドへの負担を減らす

SUS440のRガイドは冷却下でどの程度の寿命を持つか相当品のLMガイドで冷却実験500kgの荷重をかけながら500kgの荷重をかけながら、走行する試験機

これを冷凍庫内に入れて‐80℃での環境で、寿命の半分、500kmの走行試験を行う

約75日間の連続運転しかし、4.5km走行で、スタックLMガイド製造メーカーで詳しく調査してもらったが、原因不明
低温脆性の問題以前。

この実験で得た結論
常温用の仕様品を低温で使った場合、何が起
常温用仕様品を低温 使 た場合 何が起きるかわからない
現在、メーカーと協議しながら、部品のひとつひとつを確認しながら実験を進めていく低温化での摩擦(小さなボールの使用)
低温化での摩擦(小さなボルの使用)
グリスの粘性の影響
丁寧にセッティングして再測定

今後の展望状況の変化
日本学術会議第 22 期学術の大型施設計画・大規模研究計画に関するマスタープラン
期学術
施 計
規模 究計
すタ プ
「学術大型研究計画」への応募

極域科学のフロンティア－南極観測・北極観測の新展開による地球環境変動研究－
国立極地研究所所長
白石和行
計画の概要(抜粋)1) 南極内陸総合観測
通年観測が可能な南極内陸基地を新たに整備し、地球観測と天文観測の世界先端拠点とする。
2) 北極域環境変動研究
北極域環境変動 究国立極地研究所
南極地域観測第9期計画(2016 2021)
南極地域観測第9期計画(2016‐2021)

76

今後の方針従来通り一般研究に応募。
ただし、ドームふじ基地遠征計画は不透明
南極赤外線天文グループ
東北大惑星グループ、(天文グループはまだ不透明)

 小口径望遠鏡
 2.5m赤外線望遠鏡(新ドームふじ基地)
南極テラヘルツ天文グループ(中井) フランスと共同で、ドームCに10mテンヘルツ望遠鏡の建設
 30mテラヘルツ望遠鏡(新ドームふじ基地)
国立 文台 次期国際大型計画とし 提案
国立天文台の次期国際大型計画として提案
77

極地研への窓
口の一本化

赤外線グル プ
赤外線グループ

電波グル プ
電波グループ

南極天文コンソーシアム

中小計画

大型計画

宙空圏研究グループ
宙空圏研究グル

国際協力

国立極地研究所((情報・システム研究機構))

国立天文台((自然科学研究機構))

窓口

一般研究
般研究

重点観測研究新ドームふじ基地

ドームC
ドームA
リッジA