Transcript 近赤外線観測技術
GUNDAMのための 近赤外線観測技術 本原顕太郎＠東京大学天文学教育研究センター 近赤外線(<2.5mm)による観測 技術的に難しいものではない 「枯れた」技術：検出器、光学系 実績も多い：HST/NICMOS+WFC3, JWST いくつか気をつけないといけないポイント Thermal Background 衛星ならではの問題など（あまり知りませんが） 検出器 Photo-voltaic Detector III-V族orII-VI族 HgCdTe : Tunable Cutoff Wavelength InSb : 5mm cutoff Large Format Array HgCdTe HAWAII2-RG (Teledyne) VIRGO (Raytheon) のみ Hybrid Array Detector http://www.ee.ucla.edu/~leosla/documents/James_Beletic_IEEE_Photonics.pdf HAWAII2-RG Teledyne社製 5.3mm, 2.5mm, 1.75mm cutoffから選択可能 2k x 2k format (4k x 4kも開発中) SIDECAR ASIC H2RG読み出し用Integrated Circuit A/D変換までを行う 低消費電力 VIRGO Raytheon社製 HgCdTe 2k x 2k ASIC読出しシステムはない それ以外の基本性能はほぼ同じ 光学系 解像度はdiffraction limitで決まる。 𝜆 𝜃~ 𝐷 口径1m ⇔ 0.4arcsec @ 2mm Larger is better 光学系 Ritchey-Chretienが主流 双曲面主鏡、副鏡 Coma Free 像面湾曲は残るのでField Flattner を入れないといけない 3枚非球面光学系 WISH光学系 焦点面がドーナツ 像面湾曲なし 広視野 限界感度 ノイズ=背景光のPoisson Noise 黄道光 Scattered light Thermal emission Dark Current Thermal emission from the telescope Out-of-band leak of filters Leinert+98 宇物の矢部くんが色々と 計算をしているはず WISH estimate (Yamada et al. 2008) 冷却 基本的にはThermal Backgroundを減らすため 望遠鏡本体（鏡面を含む） Greybody 近似 𝐵′ = 𝐵 𝑇, 𝜆 × 1 − 𝑟 𝐵 𝑇, 𝜆 : Blackbody 𝑟 : 反射率 Thermal Background以外が 支配的になれば十分 温度Tのexpで効く Detector Dark Current Band-gapを飛び越えるThermal electronを減らす Cutoff波長が短いほど小さい 2.5mm : <110K 1.7mm : <150K Filters 誘電体多層膜コーティングによる干渉 バンド外でも1e-5位の透過率は残る 長波長側からのthermal emissionがリークとして残る なので、視野内に高温物質があれば遮断しきれずに background源になりうる 分光：スリットレス分光 HST-WFC3にも搭載 (R~130) F150W and IR G141 with M51 image, galaxy images and Gaussians (for HII regions and stars) Simulated direct image Simulated dispersed image 分光：スリットレス分光 グリズムを用いると多数の高次光が出る WFC3-IR G141 Ground calibration; simulated single point source detector defects Combined white light + direct image Target position on direct image 0th order +1st order Science +2nd order 1.1 -1.7mu 1014 pixel (full size) ~130 arcsec +3rd order どうやって冷やすのか？ Passive Cooling 宇宙3K放射に排熱 望遠鏡本体を80-100Kくらいまで は冷やせそう (@ES-L2;WISH検討) 主鏡 予測温度 79K 要求温度 ~100K 132K 副鏡 FPI BOX 95K ~100K FPA ~40K 91K * ~80K WISH estimate (Yamada et al. 2010) どうやって冷やすのか？ 機械式冷凍機 スターリング冷凍機 冷凍能力は検出器部分だけを 冷やすのであれば十分だろう (SPICAで>0.3W@20K) 運用期間が問題 あかりで1.5yr SPICAは>5yrを目標としている 軌道 宇宙だと冷える、というものではない HST 地球周回軌道 (高度600km) 赤外線衛星 いかに太陽、地球から隠して冷やすか。 太陽同期極軌道 (高度750km, あかり) Earth Trail Orbit (Spitzer) Earth-Sun L2 point (150万km, Herschel) 望遠鏡が冷えない場合：ザクHST相当 Direct ImagingだとThermal Emission が大量に入ってくる 観測波長を1.7mmまでで切る 1.7mm cut-off HgCdTe 検出器(HST-WFC3) OH夜光がないので、地上に対するゲインは非常に大きい （というか、冷却望遠鏡と性能的にはほとんど変わらない） UKIRT/IRCAMの背景放射スペクトル(McCaughrean88) 望遠鏡が冷えない場合：地上望遠鏡/HST 冷却瞳を作って余分なThermal を切る 地上望遠鏡 >2mmでの感度は地上と大きく変わらない（望遠鏡温度次第） シーイング、大気吸収がないのが利点となるが… 地上大口径望遠鏡の方がマシ （望遠鏡温度をある程度(~200Kくらい)下げない限り） スペックをどうするのか？ 波長レンジ 視野、ピクセルスケール？ 検出器の個数 望遠鏡のサイズ 望遠鏡の口径は？ 1.7mm cutoff? 2.5mm cutoff? 望遠鏡、検出器の温度決定 フィルター製造の問題 大きいと重くて高い 小さいと感度が下がって解像度も落ちる（GRBに関係ないか） JANUSは口径0.55m (0.8arcsec resolution), 1.7mm cutoff