技術検討会	
松尾太郎、夏目典明、木野勝、入部正継、西田秀哉 他SEITメンバ	2x木星	

科学目標	
• Kepler衛星により惑星表層 木星	に「液体の水」を有する可能性のある惑星が数十個発見 海王星	
地球	されている。	  
 地球型惑星は豊富に存在	  30

Habitable	  planets	  ?	

Kepler惑星の推定温度（K）	
V. S. MeadowsJ	
金星	

Albedo	• 系外惑星研究の最大のマ
イルストーンは、「地球型惑星のキャラクタリゼーション」。	  
大気分光からの深い酸素吸収線（0.76、1.27um）は、	  「酸素発生型光合成の痕跡」。 	  

Habitable	  Zone	

地球	 O

2	2	O2	火星	

波長（µm）	
Figure 2. Synthetic albedo spectra of Solar System terrestrial planets generated by the Virtual

Planetary Laboratory (VPL). The Mars and Earth spectraare from fully-spatially(Meadows	  et	  al.	  resolved2005)	
太陽系惑星の理論的スペクトル	
models that have been degraded to the disk average (Tinetti et al., 2005, 2006). Also shown is amodel of a cirrus cloud covered Earth, which exhibits enhancements in the O3 absorption from

仕様要求	
ハワイから観測できる近傍星周りの	  Habitable	  Zoneの地球型惑星を想定	  1λ/D	
2λ/D	

コントラスト	

10 -7	
○	  主要観測バンド	  Jでの	  要求コントラスト(5σ)	  	  	  	  	  8x10-­‐8	  乗	  @	  1λ/D	  (8mas)	  10 -8		  	  	  	  	   2x10-­‐8	  乗	  @	  2λ/D	  (16mas)	  回折限界での高いコントラスト 	  	  	  	   10 -9	10 -10	 酸素吸収線検出		  2.	  	  IWAの4倍の改善	  S/N	  >10	  (5時間)		  -­‐>	  主星超近傍	

10 -11	

0.1	
0.01	
角距離[arcsec]	

MK
G1.0	

地球型惑星発見のために必要な角距離・コントラスト	
Kawahara	  et	  al.	  (2012);	  Crossﬁeld	  (2013)	  前回の検討会から進んだ事	
• 実験	  -­‐ Woofer	  光学系の設計終了（夏目他）	  -­‐ Woofer	  DMの特性試験	  (入部、西田他)	  -­‐ Woofer	  計測・制御の光学系構築（夏目他）	  -­‐ Tweeter光学系の波面センサの設計（松尾他）	  -­‐ 恒温槽・除振台の設計（日本スピンドル他）	  • 進め方	  -­‐	  予算/計画プロファイルの見通し	  (松尾他)	  -­‐	  人員配置の整理（松尾他）	  第1世代：SEEDS,	  Keck,	  VLT/NACO	  etc.	
• 第1世代：太陽系外惑星の直接観測の成功	 若い恒星周りの温かい巨大ガス惑星の撮像	  	  	  	  	  	  離角：0.5秒以遠、コントラスト:	  ~	  105-­‐6	  • 観測方法：Angular	  Diﬀerenbal	  Imaging	  (ADI)	

HR8799	  GJ758	  (Thalmann	  et	  al.	  2009)	 (Marois	  et	  al.	  2010)	

Β	  Pictoris	  (Lagrange	  et	  al.	  2008)	

ADI観測	
手順1:	  参照画像の作成	

時系列	

スペックルパターンをカメラに固定	  天球面を回転	○	  Median	  参照画像	
○	  相関による	  重みづけ	

取得される画像	
手順2:	  スペックルパターンの差し引き	

手順3:	  回転・結合	

最終画像	

ADI観測は何が問題か	
• 主星近傍での検出限界の改善なし	  -­‐ 主星近傍では回転が不足	  !	  
 惑星は検出面で動かないので	  惑星とスペックルが分離不可。 	  
• 時間分解能（後で説明）	  -­‐ 数フレームの情報を基に	  スペックルを推定。	  
 	  数分より長いスペックルだけを除去。	  
 主星近傍のコントラストの	  改善にはつながらない 	  ADI観測の概要	

第2世代：SCExAO,	  GPI,	  SHERE	• 「リアルタイム補償」が鍵。	  
• 第２世代：極限補償光学	  -­‐ 極限：より高次（小さい空間スケール）の揺らぎまで補償	  • GPI	  (PI.	  B.	  Macintosh)：	  0”.2-­‐1”で10-­‐7	

-­‐ 2013年10月から観測開始？	  
-­‐ 4000素子レベルの可変形鏡の搭載	   波面誤差レベル:	  ~	  30nm	   0”.2以遠で10の-­‐4乗の生コントラスト	  GPIのシミュレーション図	
hkp://planebmager.org	

PSFコントラスト(1σ)	

第3世代：？	

104	
時間遅れ	
106	

色収差	

• 主星からの散乱光の要因は、	  Photon	  noise	  limit	
-­‐ 制御の時間遅れ	  108	-­‐ 色収差	  0.1	
1.0	
1.0	
角距離	  (秒角)	
（補償光学系のセンサ波長は可視光	  大気補償光学＋コロナグラフ後のコントラスト	  観測波長は近赤外線）	  (e.g.,	  Verinaud+	  2008;	  Kasper+	  SPIE	  2012)	

• 内側の惑星探査に特化した	  始めに着手する部分		  	  	  	  	  新技術が必要！	  
• 鍵は、	  -­‐ 「計測・補償の高速化」、	  狙う領域	
-­‐ 「イメージング波長での計測・補償」	
GPIのシミュレーション図	
hkp://planebmager.org	

観測装置光学系	
地球大気	主鏡	

• SEIT光学系：	  「補償光学系」＋	  「高コントラスト光学系」で構成。	  
望遠鏡開口面での位相	• 役割：	  補償光学系：	  -­‐ 可視光(0.6-­‐0.9um)での波面計測	  -­‐	  	  	  	  高次波面収差の超高速波面補償	  	  	  	  高コントラスト光学系：	  -­‐	  	  	  	  Imaging波長	  (Jバンド)での波面計測	  	  	  	  	  -­‐	  	  	  	  色収差による低次高速波面補償	

目標：	  0.1-­‐2秒角で10の-­‐5乗生コントラスト	

極限補償光学系構成	
Woofer	*	  （開発中の）4m京大望遠鏡のための補償光学装置の例	
制御	

制御	

計測	

制御	

計測	

（観測バンド）	
（限界等級）	
80Hz	
（制御帯域）	

250Hz	

2000Hz	Tweeter	キャリブレーション	  光源ユニット	

Tweeter光学系	

シーイング	  モニタ	

室内実験	

夏目他	SHWFS	

ハロゲン光源（400-­‐2200nm）	
大気位相板	
現状：	  -­‐	  レンズ光学系での制御	  
今年度のA/I:	  	  -­‐	  	  実機(軸外し鏡)を用いた	  	  	  	  Woofer光学系の制御完成	  	  	  	  (SR:	  ~	  0.5	  目標)	  SHWFSの取得像	

Tip/Tilt鏡	サイエンス像	DM88試験	
1msec	
動的特性試験例	

変位量（µm）	

○静的特性	  i-­‐Fizeauによる計測	  -­‐	  電圧 vs	  変位量	  	  -­‐	  重ね合わせ試験	  線形性の確認	  ○動的特性	  干渉計変位(SI)センサ	  -­‐	  ステップ信号入力	  データ取得点 （5kHz	  サンプリング）	

制御設計	

入部、西田他	

• DM88の静的特性試験、動的特性試験に基づいて、システム同定を行なっている。	  
• 2次の伝達関数を想定。	  
制御モデルのブロック図	

PDIなしの応答図	

PDIありの応答図	

極限補償光学系	

松尾他	

地球大気	

主鏡	
補償光学系	

京大補償光学系の全体図	
仕様：	  Woofer-­‐Tweeterの2段制御	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  Woofer:	  DM88	  +	  Shack	  Hartmann-­‐WFS	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐	  	  Tweeter:	  DM1k	  +	  	  Tweeter位相センサ	
AO性能の決定する最重要な要素	

予算	
• 獲得済予算	  2013年度	

2014年度	

2015年度	基盤A	

1720	

720	

680	

共同開発経費	

350	?	

?	

挑戦的萌芽	240	

50	-­‐	新学術	300	-­‐	-­‐	

基盤B	

450	

2013年度	

2014年度	

2015年度	

TMT基礎戦略	940	  (申請中)	

?	

?	

光研究	250	  (申請予定)	 ?	

?	

• 申請中と申請予定	  製作費用について（ある程度）の目処。	  
 スケジュールへの見通しが立つ	FLまでのスケジュール	][\^_Yd(][\_\[Y^(_Yd(][\`\[Y^(_Yd(][\a\[Y^(_Yd(
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