2016.09.26 光天連シンポ

科学目的へのインパクト
柏川伸成(TMT推進室）
TMT SACにおける議論
国内におけるインパクト調査

2016.09.26 光天連シンポ

TMT SACにおける議論背景
5/27 TMT SACにおいて表記の話題について議論を行った。
その概略を紹介する。
Board からのリクエストに従い、Maunakea 以外のバックアップ候補地について科学的な見地から選択の議論を行うことになった。現在はSan Pedro Matier (Mexico), La Palma(Spain), Mackenna (Chile), Honor (Chile) が候補として挙がっている。NIR / MIR のサイエンスへのインパクト、観測できる天域の違い、LSST への即応性の違い、紫外線への影
響、ALMA望遠鏡やスペース計画（WFIRST, JWST）とのシナジーと言ったことが科学的な影響として議論された。
議論は大きくまとめると、1) North vs. South, 2) Altitude,3) Competition with E-ELT / GMT, の３つの観点に分類されるがこれら３つは密接に関係している。
日本の考えるサイエンスケースに与えるインパクトについて
3ご意見を伺いたい。

Summary of site characteristics

Large values are good for: usable time, Strehl merit, isoplanatic angle, coherence time, NIR
sensitivity metric, PWV < 2 mm
Small values are good for: seeing, temperature
In the following, only metric-based numbers will be shown, i.e. larger values are always better4

North vs. South
北半球は当然独自性がある。JWSTやWFIRSTのフォローアップを考えても。サイエンスメリットファンクションとして、ターゲットのユニークさを考慮する必要があるのではないか？
南半球は銀河中心や星形成領域のサイエンスにとってユニークな天体が多い。ALMAやLSSTとのシナジーも強い。北半球
はM31が観測しやすい。
Na layer の厚さは latitude に依存するが、問題になるような違いはない。たとえば Keck と Paranal で大きな違いは報告されていない。La Palma はより厚くなるはずである。

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Altitude
コストやリスクを無視して数字だけ見ると当然高いサイトの方が条件がよい。
10-20um science の重みをどれくらい重要と位置付けるかに依存する。水蒸気量と温度が変化するので、サイトの高さはMIR だけでなくNIR にも大きく影響する。（水蒸気量はMIR、温度は2µmのwindowに直結する）
表の数値はダストの影響は考慮されておらず、La Palma はダストの影響が大きいので、紫外線の散乱が大きいかもしれな
い。UV の透過率が変わるのはオゾンの量が効き、高いサイトの方が良い (高度のexponentialで効く)。
La Palma の PWV <2mm の割合が高く見積もられすぎているかもしれない。

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Competition with E-ELT / GMT
もし仮にチリ、特にMackennaに建設するようなことがある
場合には、装置計画（特に第２期）の見直しが必要で、似たような機能の装置開発は避け、お互いの機能をシェアするような装置計画にすべき。
Honorの場合にはMIR性能は大きく違うので、E-ELTのファーストライト装置のMETISがあってもMICHIの意義はあるだろう。
Time-domain issue. LSST で見つかった変光天体への即応性を考えると SPM が La Palmaよりも良い。マウナケアでは減光期間の観測になる。E-ELTはacquisitionまでに時間がかかる（7分程度）ことも考慮しておく。
最大視野の比較は E-ELT FoV=10' TMT FoV=15' GMT
FoV=20' となっている。ケラレも考慮すると TMT FoV=20'も可能。
9その他の議論
コスト、リスクを抜きにしてサイエンスだけでサイトを議論するには無理がある。総コストによって、装置計画も限定され、実現できるサイエンスも限定される。
MIRの性能がサイトによって大きくことなるが、将来キュー観測にすることを考えれば、MIR観測条件がベストの時に観測すればいいので、平均値だけの比較では意味がない。
サイト評価では悪いシーイングなどによって失われた時間も含めて時間のロスを評価するべきである。
長期的な気候変動について懸念があるが、Maunakea をサイト選定した時点のサイトサーベイでは 2005 年までの 20 年間のデータで大きな変動は見られなかった。
地表での風速についてはサイトごとに大きな違いは見られない。温度変動の違いの方が大きい。夜間の温度変動はスカイ引きの精度に影響を与える。昼夜の温度差は高コントラスト
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装置に影響を与えるだろう。

2016.09.26 光天連シンポ

国内におけるインパクト調査

TMTの科学研究に与えるインパクト：国内調査
光赤天連が今年とりまとめた「2020年代の光赤外天文分野」検討報告書でとり上げられているTMTによる観測テーマ案ごとに、まずは定性的に影響の分析を行った。報告書をとりまとめた検討班からのコメントもいただいているが、より定量的・包括的な検討が必要である。
検討の観点
観測領域（北天／南天）
補償光学の性能観測波長への影響（標高が低いと赤外・紫外線観測効率が減少）
計画延伸の影響：他のELTやスペース計画との関係
以下で公開中
http://tmt.mtk.nao.ac.jp/meeting-j.html
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宇宙論・構造形成• 北天／南天の選択はほとんど影響なし。広域撮像分光サーベイとの連携が重要。
• 補償光学の性能は「よいに越したことはない」程度• 標高に関わらずシーイングのよいサイトが望ましい• 計画延伸の影響は特になし。高性能の高分散分光器をEELTより先 に立ち上げられるか。
対象
観測内容
北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線
延伸
宇宙膨張の直接測定 クェーサー吸収線 どちらでも可必要なし
可視分光
特になし
系の超高精度分光
モニター観測重力レンズサーベイ 測光的赤方偏移の どちらでも可
可視近赤外分 EELTと競合較正光
小質量サブハロー

面分光による速度 どちらでも可場測定-

可視近赤外面 EELTと競合
分光

巨大ブラックホールと活動銀河核••••

北天／南天の選択の影響は大きくはない：チリから観測できないほど北天にある天体を除けば、早くやったもの勝ち。
AGNはコンパクトで、補償光学の性能の影響は大きい(空間分解、感度)。
標高が低いと、>3umの熱的赤外線に影響大。塵・分子遮蔽体（トーラ ス）構造の観測のためには10-20umの中間赤外線観測が極めて重要。
計画延伸の影響は大きい。なぜなら、主要な天体が先にやられるから。

対象
観測内容
北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線 延伸
巨大BHの質量 星間 星、ガスの空間分解 特になし 空間分解できるス Kバンド以下で 影響大
空間の力学構造 中 した分光（可視、近ケールに大きく影 影響は限定的
質量BH 銀河バルジ 赤外）
響との相関
降着円盤アウトフロー
電離ガスの構造

高感度高分散分光(可 特になし 星像が悪化すると Kバンド以下で 影響大視、近赤外)
感度低下。影響大 影響限定的
高感度偏光分光(特に 特になし 影響は限定的
可視光がメイ 影響大可視)
ンで影響小分子、塵遮蔽体構造 高空間分解能撮像
特になし MIR AOが効けば 標高がかなり 影響大（中間赤外線）
問題なし
重要
ジェット
高空間分解能撮像
特になし 影響は限定的
影響は限定的 影響大（可視、近赤外）
巨大BHの誕生 BH 高感度中分散分光
特になし 星像が悪化すると Kバンド以下で 影響あ
質量、エディン ト （近赤外）
感度低下。影響大 影響は限定的 りン比関数進化 光度
時間変動

初代天体と再電離••••

北天／南天の選択はほとんど影響なし
補償光学の性能はクリティカル
標高が低いサイトでもほとんどの研究は実施可能
計画延伸の影響は大きい

対象
観測内容
初代星 種族III星団の検出
初代星の終焉(GRB)

北/南
補償光学の性能
どちらでも可 極めて重要
どちらでも可 極めて重要

初代銀 運動学的銀河形態の理解
どちらでも可河
再電離 再電離史（GRBの中性度の どちらでも可測定）
再電離史（QSOの中性度の どちらでも可測定）
再電離史（Lyα速度差測定） どちらでも可極めて重要
極めて重要極めて重要極めて重要

電離源(個別検出による電離 どちらでも可 極めて重要
光子脱出率)

赤外・紫外線 延伸
近赤外分光
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難TOO近赤外 EELTとの競合に難分光
JWSTとの連携に難
近赤外３次元 EELTとの競合に難分光
JWSTとの連携に難近赤外分光
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難近赤外分光
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難近赤外分光
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難近赤外分光
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難銀河進化と構造形成••••

北天／南天の選択はあまり影響ない。但しALMAとの連携ができる緯度範囲内で。
補償光学の性能がは多くの課題でクリティカル。高層も地表も。
標高が低いサイトでは、赤外線の透過率（特にバンド間のギャップ）が多少問題。
計画延伸の影響は、EELTとの競合、JWST/WFIRSTとの連携の観点で大きい。

対象
観測内容形成途上銀河の内 AO近赤外面分光
部構造
ハッブル系列の起 近赤外面分光
源
AO近赤外撮像
星形成活動の終焉 近赤外分光

北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線
どちらでも可極めて重要
近赤外線

どちらでも可近赤外線

延伸
EELTとの競合に難JWSTとの連携に難EELTとの競合に難JWSTとの連携に難EELTとの競合に難

ダークハローと星 広視野撮像＋分光 どちらでも可形成銀河の合体史
AO近赤外撮像
どちらでも可広視野多天体分光
銀河間ガス、銀河 紫外可視中分散分 どちらでも可周ガス
光

近赤外線

WFIRSTとの連携に難どちらでも可

極めて重要

極めて重要

近赤外線

近赤外線

EELTとの競合に難JWSTとの連携に難紫外線観測も EELTとの競合に難
重要

銀河の力学進化AO近赤外面分光

どちらでも可極めて重要

近赤外線

EELTとの競合に難JWSTとの連携に難環境効果

AO近赤外面分光
多天体分光

どちらでも可極めて重要

近赤外線

EELTとの競合に難JWST/WFIRSTとの連携に難WFIRSTとの連携に難大規模構造、原始 広視野撮像＋分光 どちらでも可銀河団

銀河系・局所銀河群••••

北天／南天の選択は大きく影響（テーマごとに得失あり）
補償光学の性能が与える位置天文への影響の評価が必要
標高が低いサイトでもほとんどの研究は実施可能
計画延伸の影響は大きくはない

対象
銀河系中心BH

観測内容
中心付近の星の運動（位置、視線速度）
銀河系中心の星団 運動（位置、視線速度）、面分光
銀河系バルジ
近赤外分光
円盤構造
星の（近赤外）分光
近傍銀河ハロー 星の可視撮像・分光

北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線 延伸
南が望ましい 位置天文に影響
南が望ましい 位置天文に影響--

南が望ましい----M31をはじめ 、北の天体もある
矮小銀河星の可視分光
北にも天体がある
初期世代星
星の可視高分散分光 北にも天体が紫外線観測もある
有効
局所銀河群の銀河 銀河の運動、星形成 北にも天体が 位置天文に影響 ある-

銀河系・近傍銀河の星生成と物質進化••••

北天／南天の選択は銀河系の星生成研究にのみ大きく影響（テーマごとに得失あり)
銀河系・近傍銀河の詳細な星生成研究と磁場進化の研究には補償光学は不可欠
中間赤外線が必要な研究には標高が高いサイトが望ましい
計画延伸の影響は、EELTとの競合、JWST/WFIRSTとの連携の観点で大きい
対象
観測内容
北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線
延伸
銀河系内の詳細な星 AO近赤外撮像 北: 第1,2象限 極めて重要
近赤外線
EELTとの競合に難生成＋分光
南: 第3,4象限
JWST/WFIRSTとの連携に難近傍銀河の詳細な星 AO近赤外撮像 どちらでも可極めて重要
可視EELTとの競合に難生成 (1Mpcまで)
近赤外線
JWST/WFIRSTとの連携に難星生成率の多様性の 近赤外分光
どちらでも可中間赤外線 EELTとの競合に難物理 条件の追求(R~1000)
銀河のガス・ダスト
どちらでも可中間赤外線 EELTとの競合に難近赤外分光進化(R~100,1000)
銀河の磁場進化AO広視野撮像 どちらでも可＋偏光観測

極めて重要

中間赤外線 EELTとの競合に難星間物質
• 北天／南天の選択はあまり影響しないが、テーマによっては南天はマゼラン雲が観測できるメリットがある• 主に中間赤外線での観測なので、補償光学の性能の影響は大きくない• 主に中間赤外線(特にQバンド)での観測が重要で、その実現のために、 高い標高のサイトが強く要望される（ただし、水蒸気量が必ずしもク リティカルでない観測も多くある）。
• EELT/METISとの競合により計画延伸は望ましくはないが、標高の高 いサイトに建設されるなら優位性は十分ある。

対象
観測内容
北/南
補償光学の性能 赤外・紫外線 延伸
原始惑星円盤内 円盤内ダストの空間的 どちらでも可 MIR AOが効け 中間赤外線 望ましくの物質多様性・その時間進化
ば良いない
（撮像）
ダスト凝縮・核 終焉を迎える星周囲の どちらでも可 極限的性能は必 近・中間赤外 望ましく形成
ダスト・電離ガス・原
要ない
線
ない
子ガス・分子ガスの分布（中分散面分光）
晩期型巨星星周 晩期型星周囲のダスト どちらでも可 MIR AOが効け 中間赤外線 望ましくダストの成長過程（中分散面ば良いない分光）
水・有機物の探 星間・星周環境に存在 南にメリット 極限的性能は必 近・中間赤外 望ましく
査とその生成・ する分子ガスの中分 あり
要ない
線
ない
進化
散・高分散分光恒星物理• 北天特有の天体はないが、突発現象が北天であった場合対応できるELTがあることが望ましい。
• 明るい天体に対して高空間分解能を実現できる補償光学と近・中間赤外線観測が重要• 計画延伸の影響は、EELTとの競合、WFIRSTとの連携の観点で大きい
対象
恒星風速度場

観測内容

赤外線高空間分解能・高波長分解能観測
ダスト流速
ダスト散乱光の高波長分解能偏光観測星周ガス・ダスト
広視野面分光
Ia型超新星伴星候補 可視中分散分光観測
天体
連星中性子星合体 可視・近赤外線分光観(重力波天体追跡） 測
超新星爆発メカニズ 可視・近赤外線分光観
ム（爆発形状）測、高空間分解能観測
超新星ダスト紫外・可視・赤外分光観測（減光の測定）
初代星探査
可視高分散分光北/南-

補償光学 赤外・紫外線 延伸の性能
重要
近・中間赤外線が重要
-

-

重要
-

突発現象は北にも出現
突発現象は北にも出現
突発現象は北にも出現
EELTとの競合

重要--

JWST/WFIR
STとの連携EELTと競合
EELTと競合
紫外線観測も有効
EELTと競合

星惑星系形成••••

これまでの資産蓄積という意味では北天に利がある一方、南天にはより多くの（比較的未開拓な）星形成領域が存在。
補償光学は重要。近赤外線での高コントラスト観測では致命的。但し、熱 赤外線領域では高ストレールは比較的容易に達成される筈。
標高が低いサイトでは、>2.3um (COバンド含む)の観測に影響。有機分 子の観測への影響は甚大。
計画延伸の影響は、JWSTとの連携(特に赤外線高分散分光による相補観測)の観点で甚大。

対象
観測内容
個々の星の誕生過程および 中間赤外線撮像、近-中間赤質量決定
外線分光/分光撮像
集団としての星生成塵に埋もれた密集領域
での赤外線測光
惑星系形成の黎明
赤外線撮像・分光
ガス惑星の形成
高コントラストでの原始惑星系円盤撮像・中間赤外分
光
残骸円盤 – 地球型惑星形 高コントラストでの撮像、成期以降の星周環境
低分散分光
惑星分布から探る形成過程 高コントラストでの惑星直接撮像
原始惑星系円盤における有 赤外線高分散分光機高分子の成長 – 生命系
形成の黎明

北/南
補償光学の性能
特になし
比較的重要

赤外・紫外線
近赤外線

延伸--

特になし

重要

近〜中間赤外線 JWSTとの連携に難

特になし
特になし

非常に重要
非常に重要

近〜中間赤外線 JWSTとの連携に難近〜熱赤外線 EELTとの競合に難特になし

比較的重要

中間赤外線

JWSTとの連携に難特になし

非常に重要

近赤外線

EELTとの競合に難特になし

比較的重要

熱赤外線

JWSTとの連携に難

系外惑星• 基本的に南北どちらでも観測は可能：
ただし 他のELTとターゲットが競合しない北天が望ましい• 補償光学の性能は重要：特に高コントラスト撮像・惑星の直接分光が 主な観測手法。感度・分光スリットロスに影響• 標高が低いサイトでは赤外域の観測効率低下が懸念される• 計画延伸の影響大：観測衛星による惑星サンプルを早い者勝ちで観測 するため、他ELTが先行すると影響大。望遠鏡だけでなく、（極限） 補償光学がいつ稼働するかが問題。

対象

観測内容

北/南

若い惑星
褐色矮星の大気

AO+高コントラ
スト中分散分光どちらでも可能。た スリットロスへ
だし南のほうがベ の影響大ター
どちらでも可能影響限定的

ホット・スーパー 主星高分散分光
アースの大気補償光学の性能 赤外・紫外線 延伸
近赤外影響大-影響大高密度スーパー
AO+高コントラ
アースの表層環境 スト撮像

どちらでも可能コントラスト・感度への影響大

近赤外

影響大

地球型惑星に於け AO+高コントラる生命居住可能スト高分散分光性・バイオマーカー検出

どちらでも可能コントラスト・
感度への影響大

近赤外影響大太陽系天体• 太陽系天体の多くは黄道面上にあるため，黄道が高い「低緯度地域」で あれ
ば北天南天の差異は少。ただターゲットが競合しない北天が魅力的。 また近地球天体には全天をまたいで移動するものがあり追うには北天も。
• 補償光学の性能は近赤外の高コントラス観測やスリットロスに重要，た だし
熱赤外の観測では影響少ないか• 標高が低いサイトでは熱赤外域の観測効率低下が大いに懸念される• 計画延伸の影響：主要天体は他のELTが先行し突発天体にも対応できない
対象

観測内容

北/南

補償光学の性能 赤外・紫外線 延伸

彗星・氷衛星の微 近赤外・中間赤外高分散
量有機物ガス輝線 分光
小天体反射光の含 可視・近赤外低分散分光
水鉱物・水分子小天体熱放射
中間赤外撮像・分光

どちらでも可能影響大

どちらでも可能影響大

どちらでも可能影響小惑星の水循環・メ 中間赤外高分散分光
タン起源の解明
惑星大気循環
近赤外高分散分光

どちらでも可能影響大

どちらでも可能影響有惑星間塵と黄道光 近赤外・中間赤外低分散分光

どちらでも可能影響有

系外惑星との関連 可視・近赤外線 分光モ
ニター・可視偏光

どちらでも可能影響有近・中間赤外 EELTとの競合に難近赤外
EELTとの競合に難中間・遠熱赤 EELTとの外競合に難中間赤外EELTとの競合に難近赤外
EELTとの競合に難近・中間赤外 EELTとの競合に難近赤外

EELTとの競合に難まとめ観測領域（南天・北天）の影響
近傍銀河や銀河系内天体の観測で、南・北それぞれにメリットがある。
多くの分野で南・北ともに天体があり、どちらでもよい。
ELTが北半球にも欲しいというニーズは広範にある。
その他の観点 ALMAと重なりの出る程度の緯度がのぞましい。

補償光学の性能
補償光学は広範なテーマで重要性が高い。
必要な性能は空間分解能、感度、コントラスト等、少しずつ異なる。
極限補償光学が必要なケース、中間赤外補償光学が必要なケースなども。
⇒それぞれサイトの影響の定量的な分析が必要。

標高の影響⇒赤外線（>3um）、紫外線観測に強く影響
特に系内の星間物質・星惑星形成領域・恒星、太陽系内天体で影響大。
標高が低い場合に、中間赤外での優位性が落ちることから装置が搭載されないという判断が下されることへの懸念。
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まとめ
計画延伸の影響
影響大というテーマが多い。特にE-ELTとの競合への懸念が強い。
スペースミッションとの連携についてはさらに検討必要。

そのほかの観点（極限）補償光学が早く実現すれば優位性あり。
高い標高に建設すれば中間赤外ではE-ELTの後でも優位性あり。

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