時間領域天文学と時刻補正
東京工業大学伊藤亮介
2018-12-25

大学間連携WS @ 埼玉大学

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Summary
GPSを用いた可視光観測用CCD 用の安価な時刻校正システムを構築した
GPS+LED発光で(安価に) ±45msの絶対時刻校正が可能に
2013年1月に太陽系外縁天体
Varunaによる恒星食の観測に成功

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3目次• 天文学と絶対時刻• 時刻校正手段• かなた望遠鏡/高速カメラでの実装例• 掩蔽観測例

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時刻と天文学“時刻 （じこく）とは、時間の流れにおけるある一点、連続する時間の中のある瞬間[1]、または時間の区分のこと。ある時点や時間の区分や現在を、他の時点や時間の区分と区別する表現である。”
Wikipediaより

http://www.geocities.co.jp/SilkRoad-Forest/4638/toruko.html

大学間連携WS@埼玉https://stuver.blogspot.gr/2017/10/GW170817.html,

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5“同時”観測Blazar, MW-SED (hayashida+12)• 天体の変動タイムスケール• 観測装置の感度• …

~ days~ pico seconds

大学間連携WS@埼玉• Pulsar• 光の振動数• 光子の到達時間

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時計の歴史時代

手法

原理

時間精度

古代

日時計

太陽位置

1 時間

B.C. 300

水・砂時計

重力

1 時間

A.C. 1000

ギア式

バネ・重力数分

A.C. 1600

振り子

重力

1-10秒

A.C. 1900

クオーツ

圧電効果

10 μsec

A.C. 1950

原子時計

共鳴

1 femto sec“時刻”の基準
協定世界時(UTC)
世界中の研究機関にある200台以上の原子時計の重み付き平均
地球の自転に基づくUT1 との差は閏秒の挿入によって調整される
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利用可能な時刻補正システム
時刻精度 安定性 コスト 備考
原子時計

10−13~18 𝑠

〇×

コスト大

水メーザー

10−15 𝑠〇×

長波JJY

< 10 ms

△〇

伝送誤差大

NTT時報

30 ms×〇連続10分のみ

電波時計

100 ms×〇

受信機難ありNTP server< 1ms〇〇

信号取り出しが困難

GPS 時計500 ns〇〇

目的に応じた時計選択が重要
現在の可視CCD, CMOSの読み出し速度(~100 Hz)
では、原子時計は高コスト

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8原子時計https://www.tdk.co.jp/techmag/ninja/daa01133.htm

UTCとの校正や長期安定運用のためにはGPSと併せて使用するのが良し

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Microsemi社 5071A (Cs 133)
参考価格: 700~900 万円
周波数確度 10−12

Microsemi社 SA.45s
参考価格: 70 万円
周波数確度 10−11 2018/12/25

9長波 JJY

NICT
伝送遅延あり(300kmで1ms)
電離層の影響を受ける
時刻マーカーのパルス幅: 0.2s +/- 5 ms
正確な秒信号を取るには、専用受信機を設計する必要あり
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10NTP (Network time protocol)

Synchronization of current and voltage measurements in a modular motor diagnostic system< 1 msの精度で時刻校正可能(UNIX系)
OSや制御PCの時刻同期には簡便だが、装置自身(CCD, シャッターetc..)と同期させるのは大変
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11GPS
衛星の原子時計情報を用いた測位システム
4機の衛星の信号から、三次元位置+時刻を取得可能

GPS受信機の普及もあり、非常に安価で手軽に利用可能
http://sciencewithkids.com/science/resources/gps-facts/

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12ミリ秒の精度を達成するにはNTP server

UNIX系< 1 ms

原子時計

Stratum 2

撮像コマンドの発行• シャッター• 素子露光開始

コマンド発行後から実際のシャッター制御、露光開始までの遅延は？
FITSへ記録される時刻はどのタイミング？
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露光しているタイミングを何らかの方法で感知する必要あり

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13Crab のパルサー計測
Iqueye; NTT, La Silla, ESO
http://www.everyphotoncounts.com/spad.php

single photon avalanche diode

Germana+12

UTC: +/- 500 pico sec

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30.3 ms

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かなた望遠鏡/高速カメラ

高速カメラ

京都大学/浜松ホトニクスとの共同開発
裏面照射型 E2V CCD
35.8 frame/secでの読み出しが可能(27.1ms)
BVR撮像 or R=20,150 分光
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問題点
• “市販”CCD の場合、読み出し基盤等を改造して露光時間を検知するのは困難• 読み出しまでのラグを測定するのも難しい• NTP/GPS同期するCCDがあれば理想的だが…
例：浜ホト、EM-CCDの場合(かなた望遠鏡 高速カメラCCD)
ファイルに記録される時刻：「start」ボタンクリック時刻
実際に撮像が開始されるタイミング：「start」ボタンクリック 1-2秒後

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望遠鏡への実装
高速カメラ筐体

望遠鏡側

16Filter etc…

CCD

天体からの光LED

GPS時計
PPS・正秒・正分に同期したパルス発光
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GPS時計キット

ＧＰＳ受信モジュール
2,000 円秋月電子通商「ＧＰＳ世界時計キット」
13,500円、組み立て所要時間:2-3時間

いずれもPPS信号を出力
最大遅延 8μsec (仕様書)

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発光タイミング

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20 [ms]80 [us]

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LED の反応速度~ 100 ns
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19読み出し画像
LED OFFLED ON

緑BOX部の平均カウント値から、LED点灯時間の測定
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テスト読み出し
正分信号

正秒

正秒

1 sec

パルス発光
大学間連携WS@埼玉：

3-4 Frame
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時刻校正

a = 0.100688
b = 804.558

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時刻精度は45 ms 程度(<100ms)
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太陽系天体
掩蔽観測

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Varuna (ヴァルナ)
ヴァルナ想像図

public domain NASA image

64億 km

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太陽系外縁天体
楕円形に潰れた形?
推定直径 1,000 km
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恒星食

明るさ：16等星

明るさ：10等星• ヴァルナは非常に遠くに位置するため軌道予想が難しい
食位置には数千km程度の誤差がある• 明るい恒星と食を起こすのは世界的にみて年に1回程度観測は極めて難しい
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掩蔽観測
小惑星掩蔽観測 ：
多数の観測場所で同時に掩蔽・出現時刻を記録
小惑星などの形を精度よく決定
時間決定精度がそのまま形状の位置精度となる観測地点ごとの絶対時間較正が必要不可欠
小惑星インテラムニアによる掩蔽
せんだい宇宙館作成
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26

かなた望遠鏡での観測

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27

食の前

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食

食の後2018/12/2
5

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Light curve

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多地点観測結果

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D = 750 ± 300 km @ Shiga
D = 327 ± 10 km @ Hiroshima

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多波長ミリ秒同時観測への期待
MAXI 1820+070
Black hole binary

Shidatsu+18

Gandhi, Atel #11437

GX339-4, Gandhi+10大学間連携WS@埼玉

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Summary
GPSを用いた可視光観測用CCD 用の安価な時刻校正システムを構築した
GPS+LED発光で±数十msの絶対時刻校正が可能にかなた望遠鏡/高速カメラで 太陽系外縁天体 Varunaの掩蔽観測に成功

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観測の結果

食の継続時間 約13秒
およそ 327 kmに相当 滋賀県
同時刻に滋賀県のアマチュア観測家も観測に成功！

(石田さん、井狩さん)？

？

？

327 km広島大学

ヴァルナの南限付近が観測された大学間連携WS@埼玉

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