Crabパルサーの光学光子計数観測
山形大理 中森健之

大内優雅 荻原理沙 柴田晋平
NAOJ 寺澤敏夫 広島大 秋田谷洋 川端弘治
KEK/Open-It 庄子正剛 上野一樹
2020年11月12日
OISTER研究会

2もくじ「可視素人のガンマ線屋がなにやら始めてみた」• 開発の動機• センサの性能評価• アマチュア望遠鏡での観測• かなたでの観測• [公開版で割愛]• 今後の展望と課題借りている虎の威（御礼）科研費 挑戦的萌芽(2014-15)
山田科学振興財団（天文学会推薦/2019-20）
科研費 基盤B（2020-22）

Wikipedia

Optical transient studies

3log 可視光度（？）

多波長「同時観測」は本来同レベルの時間分解能が求められる
可視は電波・X・ガンマと比較すると、観測体制が弱い/分解能が悪い
小惑星掩蔽

CMOS の時間分解能
超新星
諸隈さんスライド(2018）rキロノヴァ
tienofr

GRB
不明プロンプト ?

光度

FRBs ?

パルサー

0itLim-3

ブラックホール連星s.

-6？

AGNsobGRPsof NS

古典新星連星パルサー
Kasliwal(2011)の改造
36log 変動タイムスケール（sec)4Fast Δt optical obs
回転駆動パルサー
Percival+93
PMT/HST

連星BH

Crab

Kanbach+01
OPTIMAXTE J1118+480

ミリ秒パルサー Zampieri+19
Aqueye+/Copernicus
J1023+0038

単に知らなかっただけで昔からやられていた。
日本は？

マグネターフレア

Stefanescue+08
OPTIMA/SKO（1.3 m）

5

最初の目標：Giant radio pulse• GRP：頻発する突発的な電波パルス放射、ns-usの継続時間。
• Fast Radio Burstsとの関連も議論あり。

• 放射機構の解明には多波長時間分解観測が必須。 NoptNX• 可視の高速観測は海外が先行。3％程度の増光を確認（7σ）。
• GRP強度との相関 や 増光の詳細な位相依存性 は統計不足。
Strader+13

例えばこの精度を上げたい

可視の増光

Δt << ms が必要

6MPPC/SiPM

1.3/3.0/6.0 mm• 10-75 um角有感セルのアレイ• 光子検出→ガイガー放電＝ゲイン106• 全セルのアナログ和出力○ 単光子が検出できる○ 高速応答 O(ns)△合算されるため熱雑音が多い = ダークノイズ大△合算されるため撮像ができない△「ピクセル」サイズが大きい = スカイBG大Images credit: HPK

7Geiger APDアレイの試作
MPPCをカスタム、セルごとに信号読み出し★ 単光子検出能★ 0.1x0.1 mm2/pixel★ 4x4画素★ 低ダークカウント
O(10）counts/s@0℃

w/ シリコーン窓

nsの時間分解能

AP波高は低い→弁別可能

高感度低雑音撮像可能
冬季自然冷却

Dead area効果を含むので量子効率はもっと高い
PDE

可視光検出器チャート

8ルーゴ

遠いARCONS

要クライオスタット

CMOS

広視野

位置不定天体に対応可CCD

時間分解能良い
PMT

(非撮像)

SiPM

(非撮像)

Thiswork

攻める方向

扱いやすさ

時間分解能悪い

SPAD

（非撮像）
Aqueye+SiFAP
OPTIMA

狭視野

既知点源向きMazin+13
Staubmeier+01
Ambrosino+17
Zampieri+19

9

ゲインと均一性

ゲイン (0℃, Vop）

0.5％

Vbr (0℃）
良好な線形性と一様性。
通常のMPPCと何ら遜色なし。
本研究では0/1しか見ないので、多少悪くても実は影響がない

0.2％

10

低ダークを確認• 想定通りダークは2桁下がった。10• 冬季の気温で O（10 Hz）• 山形市の夜光～4 kHzに対して十分低い。
5104

プラトーが0.5 p.e.に相当通常のMPPC（25℃）

11

まにあわせのDAQ
スケーラ

1PPS

4x4
カスタム
MPPC

ディスクリミネータ
1616

自作高速アンプ

内部クロックで周期トリガ

16VME bus

★VMEの32 chスケーラでライトカーブを測定★内蔵のクロックによる周期トリガ（400 ns×整数）★バッファにデータを格納、ある程度低速読み出しが可★広帯域16 chアンプ基板を製作、NIMモジュールの撤廃（未遂）★PPSのタイミングのみ取得。絶対時刻はDAQ PCのntpdに任せる。
パルス毎の時刻付与はできないが、16 ch同時計測が可能
閾値設定・測定の効率化とリモート化
デッドタイムが完全に0になった
バッファがあふれないために100 us/binのライトカーブを取得

12

まずCrabで動作実証を
35cm望遠鏡とシステム全景焦点面に取り付けた検出器とXYステージ<1.5 kg 自然冷却

13

視野と走査と合焦とカスタムMPPCの視野★視野がとても狭い

目標天体の位置合わせが困難
ピント合わせが困難

7.2”★XYステージで走査、モザイク撮像
露出→移動→露出→移動→…
最大7分角程度の視野が使える
撮影を繰り返しながら手動ノブで合焦

Chandra open FITS

露出1秒/視野

手動なので再現性が悪い、鏡筒の向きでもずれる

346”

288”

288”

288”

12x12視野10x10視野10x10視野10x10視野

恒星の観測14★星像を1視野に収めた★ライトカーブを計測

8.7等星
1秒 × 60 frames

28.8”=400 um
100 us× 100 frames★星像は動いている大内卒論(2019)- 大気によるゆらぎ- 赤道儀の追尾精度センサがもう一回り大きいと安心できそうだ。

15

空の撮像

1秒露出 15×15視野
フラット補正済み8等星

16

かに星雲の撮像とパルサー探索
Crabパルサー周辺（X線の星雲程度の範囲）を１秒モザイク

等級とカウント数の関係
Crabパルサー

2.4分角＜200 counts/s• このカウントマップからはパルサーが同定できない。予想と矛盾しない。
• 望遠鏡の操作からは中央付近にパルサーがあると予想。
• 4x4視野分の1分間のライトカーブを繰り返しスキャン測定した。
• UTCをToA（TDB）に変換、JBO ephemerisで位相付与• 全測定ピクセルにCrabがいると思って周期探索

17

パルス検出チャネルの同定
dof=29@0.01 : 49.588
dof=29@0.005 : 52.336
211033_lc_1_0
Run IDCounts

15000
10000

1947

5000
028.9/29

49.0/2959.6/2938.6/29

2003

15000
10000
5000
017.8/29

32.6/29356.0/29

2030

155.1/29

15000

2049_02049_1

10000
5000
026.3/29

25.6/2937.7/2948.6/29

2110

15000

10000

5000

0016.1/29

0.5

11.5

2030.1/29

30.5/29

Phase

0.5

11.5

200.5

114.4/291.5200.51

1.522129

カイ二乗
187
14064150
695287124
233
322
59356
155
17213318

パルス検出感度

1秒経過ごとに、100 bin/phaseのLCをχ2/dofを算出した。
結像ピクセルが動いた様子がトレースできそう。

よおお

1‒3秒で3σぐらい。

曲がるに下んでへのこ

まそぐ

っす

このへんでるが曲上に

19

Run by run

パルス成分のレート（ph/s）

時間が短すぎて精密測光はできてないが、まさに原理実証はできた。

5.46σ
55.7

パルス成分excessのsigniﬁcanceElevation

4.85σ

3.37σ

39.2

5.28σ

2.26σ

43.3

2.20σ

43.3
隣接モザイク

35.5

2.90σ

52.3
47.1

Run ID
星像中心が外れていた20

パルス波形• 100 usのライトカーブを取得、GPSで絶対時刻をタグ• 電波（Jodrell Bank; 1.4 GHz）のメインパルスをphase=0に合わせた• 可視ピークが~0.99位相、という先行研究と一致
2019年3月9日
7分間＠やまがた天文台～100 ph/s

数％変動の検出には光子統計が全く足りない
長時間観測には追尾精度に難あり

21

2010.11907

PASJに出ます。
やまがた天文台から出た初めての論文

かなた望遠鏡での観測

22

我々の観測システム

口径1.5 m, F/12.2

XYZ自動ステージで撮像と合焦

VME
NIM
電源

2020年1月19-21日

東北大・飯舘電波望遠鏡と同時観測 → GRPの観測, 発生時刻の同定
Tomo-e GOZENとも一部同時観測 → 可視の共同観測

導入と合焦23

恒星へ向け、ステージで走査して探す。

Crabまで3つ程度の恒星を伝って導入した。

恒星に導入→XYステージでモザイク→恒星の位置合わせ

5x5視野
各1秒
~10”x10”

1視野

3x3視野
各1秒
~6”x6”

視野視野内の最大カウント

PA後はほぼ一発で視野に入る様になった。
Zステージで焦点をサーチ極大＝合焦と判断

ステージ移動距離 (mm)24

1周期毎の積算light curve
システムは安定に動作、Crab pulsarの検出に成功した。
山形とは比較にならない豊富な光子数。

33 cycle ~ 1秒

1周期 ~33 ms

5周期 ~165 ms

33周期 ~1秒

パルスの検出25

2020年1月21日、5分間の観測データ例。
システムは安定に動作、Crab pulsarの検出に成功した。
7時間程度の観測データを解析中。
Time (sec from 00:00:00)

Counts/bin

課題：絶対時刻の較正＋追尾に伴う結像位置移動
Preliminary

phase

Preliminary

phase

30

次の改良：大（？）面積化
全ピクセルでパルスが見える → PSFに対して十分な面積がない。
恒星撮像時とconsistent視野

かなた望遠鏡・1視野ピクセルごとのライトカーブ

8x8 画素を製作中。
2月納品予定。
ガワは大きい。～2cm角

最適なピクセルサイズはF値依存。
比較検討と柔軟な活用のため、複数のセルサイズを製作中。

31

次の改良：回路の小型化

VMEやNIM一式→専用基板化・FPGA化する。 移植性・可搬性向上へVMEの読み出しが制限していた100 usの時間分解能を向上できる。

新規開発の基板

FPGA評価ボード

MPPC+3.3V

HV

NEXYS4

Power

HV駆動

16DAC
SPI

DC/DC

±2.5V

16DAC

しきい値設定CMP

FPGA
タイムスタンプ

16

イーサネット
GPS

モジュール
PPS
NMEA
（10 MHz?）

32
12 cm

基板v1の評価

大内修論（予定・希望）＿電力（実測）✓HVの出力0.24 W/ch✓センサ信号の出力✓DACの制御✓イーサネット経由でSPI出力‣ 基板とFPGAの接続‣ コンパレータ抵抗値の調整
これから ‣ タイムスタンパの実装（9月当時）‣ GPSとの連動

OK
100 mV/DIV
20 ns/DIV33

再度Crab＠山形へ調整中

光軸方向のステージを追加した治具大内修論（予定・希望）＿
センサ基板v1とFPGAの接続

Daiphys Technologies LLC
高級GPSモジュール
16チャネルのカウンタの読み出し成功

PPSだけでなくNMEAをFPGAにこれから接続。

35

可搬性→出張掩蔽観測網？

アドバイザ：吉田二美さん

掩蔽予報＝

恒星位置精度Gaiaで時代が変わった

×

小惑星の軌道精度

LSST等で時代が変わる

センサが小さいのでターゲットは予報に基づいた決め打ちしかできない。
省電力と可搬性をもう一歩詰めれば、超高速・高感度動画が撮れるのでは？
量産できるので、多地点観測の実現可能性も高い。
↓もっと測光点が増やせるはず。

Arimatsu+19

credit : PERC

36

ネタ探し
マイクロメテオのフラッシュ
SNR由来の可能性も？
arXiv:2002.01476
transient観測のじゃまになる、人工衛星のフラッシュ測定
arXiv:2011.02495

arXiv:2011.03497
どちらも広視野向きだろうか。

37まとめ• カスタムMPPCによる可視光子計数システムを開発している。
• 時間分解能が飛躍的に向上する＋単光子が見える。
• 「超狭視野・超高速・超高感度動画カメラ」。分光能力なし。
• Crabの定常パルスをアマチュア望遠鏡で観測できた。
• かなた望遠鏡に搭載、飯舘電波・Tomo-eとCrabを同時観測した。
• Giant Radio Pulseの可視増光を計測する解析中。
• 素子の拡張と回路の小型化を進めている。
• 可搬性・移植の容易性を１つの軸にして独自の立ち位置を見出したい。
• 出張掩蔽観測システムは直近の実現目標

共同研究募集中。開発でも観測でも。