Transcript 観測による宇宙形成 - 東京大学宇宙線研究所

「三つ目」望遠鏡
ガンマ線バースト残光の
可視・近赤外同時撮像観測計画
明野50cm光学望遠鏡の現状
河合誠之、 小谷太郎、 佐藤理江、 谷津陽一、 下川辺隆史、
片岡淳、 鈴木素子、 有元誠（東工大）
渡部潤一、福島英雄（国立天文台)、 森正樹 (東大宇宙線研）
柳澤顕史、吉田道利、清水康広、 長山省吾、 稲田素子、 服部尭、
沖田喜一、小矢野久、泉浦秀行、 岡田隆史、渡邊悦二（国立天文台岡山)、
太田耕二（京都大）、 吉田篤正（青山学院大）、
学術創生研究 （P.I.河合誠之）
「ガンマ線バーストの迅速な発見、観測による宇宙形成・進化の研究」
GRB残光地上観測 + GRB斥候衛星開発
•GRB残光自動観測システムを構築中
•岡山観測所: 50cm光学望遠鏡/3色カメラ
91cm近赤外望遠鏡/広視野カメラ
•東大宇宙線研明野観測所: 50cm光学望遠鏡/3色カメラ
• 研究の目的：
•高赤方偏移ガンマ線バーストの探索、GRB光度曲線の測定
•50cm光学望遠鏡
波長域、視野、検出限界、試験観測画像
• 3色カメラ
構造、予想性能
•明野50cm光学望遠鏡
• まとめ
GRBの宇宙線研究に対する重要性
• G~1000 超相対論的ジェット
最高エネルギー宇宙線の加速源?
ニュートリノ源？ 重力波源？
• 中心核崩壊型超新星の理解に不可欠
– (銀河系内宇宙線の加速源？）
• 宇宙初期：いつから宇宙線はあったのか？
– 高赤方偏移GRB？
本研究の目標
• ガンマ線バーストの初期残光を可視・近赤外バンド
で同時多色撮像･測光する
– 多色測光によるGRBの赤方偏移決定
• 宇宙創生以来のGRB発生率（大質量星の生成率）の歴史
星、銀河の生い立ち
• GRB energetics
• GRB cosmology
– 多色同時の光度曲線
• Jet break とCooling breakの検出、識別G, B, eB, ee, n
• 短時間変動の計測
• 逆行衝撃波成分 (閃光) の検出
衛星通報対応ロボット望遠鏡
観測衛星
ガンマ線バーストの
情報伝達
ガンマ線バースト
位置情報
観測
地上局
岡山
明野
その他
インターネット
衛星運用センター
インターネット
ガンマ線バースト
連携ネットワーク
観測施設
21:43
t0+1.1 hr
01:54
t0+5.3 hr
23:47
t0+3.2 hr
03:18
t0+6.5 hr
GRB030329（東工大屋上）
Fireball scenario of GRBs
Piran 2003
GRB041006
9 arcmin.
with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager
on the TIT-OAO GRB 50cm telescope
V-band
R-band
I-band
DSS2 V
Date-obs: 2004-10-06T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)
Supernova connection established
GRB030329/SN2003dh
Stanek et al. 2003
also Fynbo et al.
Kawabata et al.
残光の光度曲線
Jet Break
G
-1
log flux
log time
opening angle G-1
GRB030329
Lipkin et al. 2003
GRB with fast declining optical flash
GRB021211
Fox et al. (2003)
1 min
GRB発生率の歴史
宇宙開闢以来の星生成の歴史
経過時間
1億年
星
生
成
率
（
対
数
目
盛
）
5億年
10億年
130億年
（現在）
ガンマ線バーストを
観測可能
星
生
成
率
ガンマ線バースト
によって星生成史
を観測的に検証
理論による推定
現在の観測
高赤方偏移GRBは検出できるの
か？
15 GRBs with well-determined
redshifts
Lamb and Reichart 2001
early afterglow of GRB 000131,
as observed one day after the burst
どうやって
距離を
決めるか？
相
対
強
度
吸水
収素
さに
れよ
てっ
いて
る
赤方偏移=３の遠方銀河
赤方偏移=９
赤方偏移=５
赤方偏移=７
ライマンドロップ法
銀河間空間の水素ガスに
よる吸収を利用
200
400
600
800
観測波長 (nm)
（赤方偏移した
ライマン吸収端より
短波長側は見えない）
ビッグバン後10億年以前
（赤方偏移＞１０）
ライマン吸収端の波長＞1μm →
近赤外線領域
1000
観測地の選定
•
•
•
•
•
•
•
空が暗い
晴天率が高い
通信・電力などの基盤設備
支援設備・人員 (宿泊、工具、給食、…)
天候リスクの分散：距離をおいた複数地点
アクセス良好
低費用
国立天文台岡山天体物理観測所
 東大宇宙線研究所明野観測所
観測システムの設計方針
• 自動化可能なシステムとする
–
–
–
–
PC (Linux)による全体制御
動力要素、センサーすべてPCで統括
スケジュール観測可能
GCN Alert 割り込みに対応
• 無人観測に対応
– 気象変化に自律対応(降雨、停電、強風）
– 安全対策(部外者も含む)
– ドーム内外の遠隔監視
• 迅速な観測・解析が可能
– ドームと望遠鏡の高速駆動
– 高速読み出し (1 M pix/s) CCDカメラ
– ADSLを用いた広帯域ネットワーク（VPN)で東工大と結ぶ
観測自動化
• GRB位置速報への即時対応
– GCN(GRB Coordinate Network)に Unix socket で
常時接続
– 東工大直結高速ネットワーク(ADSL)の新設
• 高速導入・高速撮影
–
–
–
–
–
高速回転ドーム
高速指向赤道儀
広写野 (30分角)、広視野光学系 (F/6)
高速CCDカメラ （1024x1024 画素：1秒で読出し)
データの即時転送 (高速ネット)
GRB望遠鏡に要求された光学仕様
● 要求
• 広い視野（20分角以上）
• 多色観測（3色）
• 大口径 (40cm以上)
• 市販CCDカメラAlta U6を利用（読み出し 1 sec）
● 解決法
• 50cm カセグレン光学系 ＋ コマ収差補正レンズ
• 3色同時撮像カメラ（ダイクロイックミラー ＋ 広帯域フィルター）
• F/6 でしかも、フランジバックを 325 mm（！）もとっている。
望遠鏡の仕様
• 主鏡
–
–
–
–
–
–
–
有効直径
焦点距離
鏡材
鏡面処理
有効視野
結像性能
観測波長
• 架台
500 mm
3000 mm
ゼロデュア
Al + SiO2コート
30分角
視野内で 43mm以下
400－950 nm
• 副鏡
– 有効直径 160 mm
– 鏡材
ゼロデュア
– 鏡面処理 Al + SiO2コート
– 形式 フォーク式赤道儀
– 導入精度 >2’ (30度以内)
– 駆動速度 最大 3度/秒
• 制御系
– オープンループ制御
– PC + 制御ボード
– RS232Cにより外部より制御
• 光学系
– 非球面+球面＋補正光学系
• 重量 約1000 kg
• (株)昭和機械製作所 製
カバーする波長域と、装置の割当
VR I
可視カメラ
z
J
H
近赤外カメラ
Ks
可視、近赤外カメラがカバーする視野
可視カメラ
FOV: 26‘×26 ’
近赤外カメラ
FOV: 56‘×56 ’
NIR Camera
衛星による位置精度が低くても
十分補足できる
Optical Camera
REM
3色カメラ外観
3色同時撮像カメラのレイアウト
入射光
ダイクロ 1
T: > 0.72 um
R: < 0.72 um
広帯域
フィルター
CCD Camera
U6 (Apogee)
24 um x 24 um/pix
1024 x 1024
Readout : 1 sec
R-band
I-band
ダイクロ 2
T: > 0.58 um
R: < 0.58 um
金鏡
V-band
3色カメラと望遠鏡
GRB041006
9 arcmin.
with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager
on the TIT-OAO GRB 50cm telescope
V-band
R-band
I-band
DSS2 V
Date-obs: 2004-10-06T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)
明野50cm光学望遠鏡
• サイト
• スケジュール、現状
• 運用システム、体制
• 試験･調整
50 cm VRI
ドームの仕様
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
ドーム半径4m
観測室高さ1.7m
回転速度 40秒/1回転
スリット幅 1.3 m
スリット開閉速度 20秒
操作：手元操作盤(local)および
遠隔操作(remote)
雨センサー装備
無停電電源装備
降雨または停電でスリット自動
閉扉
アストロ光学(株)製
• 操作種類
–
–
–
–
–
Remote/Local 切り替え
右回転
左回転
スリット扉開
スリット扉閉
• 出力信号
–
–
–
–
–
–
–
スリット扉全開/全閉
原点スイッチ
回転エンコーダー
雨センサー
Remote/Local
主異常
スリット異常
場所: 宇宙線研究所明野観測所
ME1
本館
東
北
ME1
建設前 (μ観測小屋 ME1)
南
西
建設後：明野50ｃｍ望遠鏡ドーム
１．フレッツＡＤＳＬを利用したネットワーク
山梨県明野村
宇宙線科学研究所
東京工業大学 様
①
ADSL
ﾓﾃﾞﾑ
ＤＢ
ＤＢ
②
地域IP網
ﾌﾚｯﾂｸﾞﾙｰﾌﾟｱｸｾｽﾗｲﾄ
③
ADSL
ﾓﾃﾞﾑ
ランニングコスト試算表（イニシャルコストは別途）
①研究所側フレッツADSLモアⅡ３回線
（最高速度２４M・専用タイプ・モデムレンタル）
②フレッツグループアクセスライト４回線分
月額
１６，１７０円（１回線５，３９０円）
月額
２，８００円（１回線
７００円）
月額
５，３９０円
年額
２９２，３２０ 円
③大学側フレッツADSLモアⅡ
（最高速度２４M・専用タイプ・モデムレンタル）
月額合計 ２４，３６０円
明野50cm望遠鏡と取得した画像
制御系統図
気象センサー
雨センサー
独自SIO
GCN
(GRB速報)
スリット
監視PC
回転
宇宙線研
(柏)
Ethernet
USB
撮像PC
Alert
Flets
ADSL
東工大
8 Mbps
0.3 Mbps x 3
視野監視カメラ
.
光
ファイバー
.
Master
PC UPS
UPS
NTSC
明野観測所
Internet
望遠鏡監視カメラ
ドーム監視カメラ
ISDN
128 Kbps
ドーム制御部
傾斜リミット
スイッチ
天体撮像用
CCDカメラ
19:15:0
+10.30.
架台PC
RS232C
UPS
PIO
PIO
望遠鏡
駆動部
観測装置の保護と監視
•
•
•
•
•
•
•
•
落雷対策：電源、電話線に雷サージ保護装置
ドームスリット自動閉鎖機能(降雨、停電)
気象モニター：風、湿度、温度を監視
ドーム内外の監視カメラ
筒先カメラによる雲およびスリット状態監視
2系統独立ネットワーク
望遠鏡駆動の3重リミット（software/hardware)
地元協力者による緊急時対応
1. 手動観測の場合
雨センサー
GRB
撮像 PC
視野監視カメラ
USB
Windows
スリット
回転
HETE-2
カメラ冷却
天体撮像
UPS
CCD カメラ
GCN
ドーム制御部
RA 19:15:0
DEC +10.30
Dome open.
PIO
望遠鏡駆動部
望遠鏡操作
明野観測者
が全体制御
架台 PC
Windows
PIO
明野観測所
ドーム回転
スリット開閉
2. リモート観測の場合
雨センサー
気象センサー
独自SIO
VNC
GCN
監視 PC
Windows
スリット
望遠鏡監視カメラ
Ethernet
回転
ドーム監視カメラ
NTSC
撮像 PC
Windows
RA 19:15:0
DEC+10.30
Dome open
Linux
Windows
東工大観測者
が全体制御
RA 19:15:0
DEC+10.30
Dome open.
UPS
視野監視カメラ
遠隔操作
• カメラ冷却
• 天体撮像
USB
傾斜リミット
スイッチ
CCDカメラ
PIO
架台 PC
Windows
ドーム制御部
遠隔操作
• 座標導入
明野観測所
遠隔操作
• スリット開閉
• ドーム回転
3. 自動観測の場合
雨センサー
気象センサー
独自SIO
VNC
監視 PC
Windows
監視 PC
Linux
望遠鏡監視カメラ
Ethernet
東工大
スリット
回転
ドーム監視カメラ
GCN
NTSC
撮像 PC
Linux
PC (telcon)
が全体制御
RA 19:15:0
DEC+10.30
Dome open.
telcon
USB
UPS
RS232C
架台 PC
Windows
UPS
傾斜リミット
スイッチ
CCDカメラ
PIO
制御 PC
Linux
UPS
視野監視カメラ
カメラ自動冷却
天体自動撮像
.
ドーム制御部
座標自動導入
明野観測所
スリット自動開閉
ドーム自動回転
テスト撮影
V・R・I各バンド
露出60秒ｘ20枚
画面右下の星像が放射状に
伸びている。
視野周辺での収差
6arcmin (224pix)
ハルトマン試験
収差ベクトル（δi）： 最小錯乱像面における「ｉ番めの光線の、
光軸との距離」 単位は、[mm]
ハルトマン定数: 収差ベクトルの平均値を角度の秒で表した数値。
GRB望遠鏡ミーティング＠OAO
2003/09/29
Yanagisawa (OAO/NAOJ)
収差ベクトル図
収差ベクトル（δi）： 最小錯乱像面における「ｉ番めの光線の、
光軸との距離」 単位は、[mm]
収差ベクトル図：
個々の収差ベクトルを、ハルト
マン板の各孔を基点として描い
た図。
ベクトルの2次元分布から、光
学系のもつ収差を吟味できる。
GRB望遠鏡ミーティング＠OAO
2003/09/29
Yanagisawa (OAO/NAOJ)
代表的な収差ベクトル図の解釈方法
GRB望遠鏡ミーティング＠OAO
2003/09/29
Yanagisawa (OAO/NAOJ)
ハルトマンテスト(１)
コマ・フリーセンターを求めるため、視野を振って撮影
In 40mm
Out 40mm
一部のスポットが隠れていることが分かった。
イメージサークルの端でケラれている？
ハルトマンテスト(２)
視野中心でのハルトマン定数は副鏡のシフト±6.00mm
全域で1.0arcsec以下。（Best：0.677arcsec）
架台の機械特性
• 導入精度 ・・・現状で５arcmin以内(ソフトウェアによ
る補正有り。これから詳しく調査)。
• 追尾精度 ・・・
60秒露出の画像をy方向にシフトして足し合わせ。
-周期5分(288歯?)
-全幅 ~2pix @Dec=33°
全幅 ~ 2pix
(1 pix = 1.6”)
⇒ periodic error ~±2arcsec
ToDo List
• 望遠鏡
– ハルトマン試験の解析
– フィルターアダプター、ドローチュー
ブの改善
– 追加ハルトマン試験
– 追尾性能試験
– 導入精度試験
– フォーカスの温度依存性の測定、
解析
– ドームフラットの製作
– 望遠鏡指向補正
• 三色カメラ
–
–
–
–
–
光学系調整（焦点、視野合わせ）
光学系性能試験
限界等級測定
撮像ソフト整備
高感度カメラ導入の検討
• ドーム、運用系
–
–
–
–
–
気象データの解析
エアコンリモート制御
監視カメラ画像データベース
I/F Box UPS整備
監視カメラの落雷対策
• 観測・解析系
– 自動観測プログラムのデバッグ
– 標準測光システムへの変換係
数の測定
– データ保存ディスクの整備
– データ自動転送
– 変光天体検出プログラム
Swift
• 100～150 GRB/year
– 位置精度： （数秒後 BAT） 数分角
（数分後 XRT） 数秒角
• 自身で追跡観測 （数分後に衛星を転回）
– XRT 0.4 –10 keV
– UVOT --- 赤外はなし
• 打上： 2004年11月20日
– ほぼ順調に観測装置の立ち上げ中
– 最初のGRB位置通報： 2004/12/17
• Swift Follow-up Team に加入
TITLE:
NUMBER:
SUBJECT:
DATE:
FROM:
GCN GRB OBSERVATION REPORT
2853
GRB041217: The First GRB Located On-Board Swift
04/12/17 23:59:44 GMT
Ed Fenimore at LANL <[email protected]>
D. Palmer (LANL), E. Fenimore (LANL), S. Barthelmy (GSFC), G. Chincarini
(OAB), J. Cummings (GSFC), N. Gehrels (GSFC), P. Giommi (ASDC), M. Goad
(UL), D. Hullinger (UMD), H. Krimm (USRA), C. Markwardt (UMD), K. Mason
(MSSL), K. McLean (LANL), J. Nousek (PSU), J. Osborne (UL), A. Parsons
(GSFC), G. Sato (ISAS), M. Suzuki (Saitama), J. Tueller (GSFC), A. Wells
(UL), N. White (GSFC), on behalf of the Swift BAT team.
On Dec 17 2004, 7:28:30 UT, the Swift Burst Alert Telescope (BAT)
triggered and located on-board an apparent gamma-ray burst. The
spacecraft did not autonomously slew to the burst since automated slewing
is not yet enabled.
The location is RA/Dec 164.79, -17.95. This is about 42 degrees off the
bore sight in the partially encoded field of view. The Swift attitude
control system is still undergoing calibration, but we estimate that the
position is within 12 arcmin. The on-orbit location differed from a
location processed on the ground by about 6 arcmin. After
calibration we expect on-board locations to be within 4 arcmin.
The burst can be characterized as a smooth profile with a rise time of
2 sec and a fall time of 6 sec. The T90 was ~6.7. Although BAT is still
undergoing calibration, ground processing gives a power law spectrum with
a number index of -1.6 and a fluence of 5E-6 erg/cm2 in the ~20 to 200
keV range. The peak was about 4.4 cts/cm2/sec in ~15 to 200 keV.
明野望遠鏡 研究実施計画
2004
7 8
9
2005
10 11 12 1 2
3
4
5
6
望遠鏡光学試験・調整
望遠鏡指向・追尾性能試験・調整
望遠鏡フォーカス自動化
望遠鏡整備
一号機製作
２号機設計・製作
ソフトウェア開発
3色撮像カメラ
（於岡山）
調整・性能試験
性能試験
試験観測
ドーム・監視系
観測・運用
ドーム・監視系整備
自動観測ソフト開発・デバッグ
データ保存ディスク整備
データ自動転送
自動解析ソフトウェア開発
単一カメラによる観測
3色カメラによる観測
Swift 打上
Swift 本運用