次世代装置の開発

30m 望遠鏡での多天体補償光学系と多天体分光器

最近の観測ではすばる望遠鏡をもってしても分光観測によって正体を明らかにすることのできない宇宙初期の銀河が多数見つかっています。30m望遠鏡はこのような銀河の「正体」を明らかにすることを一つの目的としすばる望遠鏡の次の世代の望遠鏡として検討が進められています。我々のグループではこの30m望遠鏡に、国立天文台の補償光学系チームや京都大学の面分光チームと協力して赤外線、多天体面分光、多天体補償光学、観測装置を実現しようと基礎実験をしています。鍵となるのは広い視野の中の多数の天体に対して同時に補償光学を効かせる多天体補償光学系です。その概念図です。

従来のシステムでは一つのガイド星からの情報を用いてクローズループで可変形鏡の制御を行います（左の写真は現在稼働中のすばる望遠鏡レーザーガイド星の様子）。このとき用いるのはガイド星から望遠鏡までの光路でのさまざまな高さで起こる波面の位相ずれ（水色の波線）を積分した位相ずれ（黄色の波線）の情報です。可変形鏡を通した後の位相ずれの情報を波面センサーで測定し、可変形鏡にフィードバックします。右側の多天体補償光学系では複数のガイド星からの情報を合わせることで大気揺らぎによる位相ずれの高さ方向の構造を分解して解釈します。どの高さでどのような形の位相ずれが起こっているかを推定します。これによって方向の違うそれぞれの天体に対してそれぞれの光路で積分した波面を推定することが出来ます。これはスキャンで用いられるコンピュータトモグラフィー（CTスキャン）と似た原理を用いているのでトモグラフィックな波面推定と言います。そのようにしたそれぞれの天体に最適化した補正をそれぞれの天体に設けた可変形鏡で補正します。これによって広い視野の中の多数の天体に対して同時に回折限界に近い空間分解能で観測することが可能になります。

このようなシステムを実現することで宇宙初期の多数の銀河の「正体」を明らかにすることが出来ると考えています。多天体補償光学系は実現する上でいくつかの技術的困難があり世界的に見てもまだ実際の観測には使われていません。30m望遠鏡でこのようなシステムを実現するためにはいくつかの技術的ブレークスルーが必要になっています。我々のグループでは1)トモグラフィーによる波面推定、2)多素子可変形鏡、3)大ダイナミックレンジの波面センサーという3点について要素技術の開発を進めて技術的困難を解決し多天体補償光学系を実現することを目標にしています。

• 高速並列計算を用いたトモグラフィックな波面推定の高速化
  • 4台の波面センサーを組み込んで多天体補償光学をシミュレートする光学系の組み上げを光学実験室で進めています。
    

  • 波面測定画像の解析とトモグラフィックな推定のための高速計算ループ(1kHz)にグラフィックボードを用いた高速並列演算(GPGPU)を導入しようと実験しています。
  • トモグラフィーアルゴリズムの論文メモ、シミュレーションなどの結果はこちら NOTE0 NOTE1 NOTE2
• MEMS による大ストローク(20um)、多素子(64x64素子)、小型(30-50mm角)の可変形鏡の開発。
  • 仕様決定のためにシミュレーションを行いました。
    
    左から30m口径、マウナケア山頂を仮定して計算された波面、それに対する64x64素子の可変形鏡での補正、補正後の波面、それで構成されるPSFとなっています。0.000s は補正が効いていないところからスタートしています。結果のまとめはこちら NOTE1 。解析的な計算と一致しています。
  • 東北大工学研究科羽根研において5x5素子の試作品の開発が進めています。
• 電子増幅 EM-CCD (1kfps, RON<1e)を用いた大ダイナミックレンジ波面センサーの開発。
  • シャックハルトマン型波面センサーを市販CCDカメラを用いて製作し望遠鏡に取り付けて観測しました。
    
    

  • EM-CCDの読み出し回路をCanada Nuve Camera 社にて現在製作中です。

これらの要素を組み合わせて、実験室の光学系で多天体補償光学系をシミュレートし、実際の装置として動くものが出来ることを実証することが当面の目標となっています。興味のある人は秋山までご連絡ください。これまで以下のように検討を進めてきました。

• 2008年度は合計7回の勉強会を行い(勉強会資料は こちら 、ただし関係者のみ)、装置の方向性の検討、開発技術の現状のまとめを行い、赤外線多天体補償光学系分光器という方向性を打ち出しました。まとめは2009年春の学会で報告しています。 PDF はこちら。
• 2009年度は実際の要素技術の確立に向けた実験を始めました（まとめは こちら 、ただし関係者のみ）。
• 2010年度は引き続き実験を進めています（まとめは こちら 、ただし関係者のみ）。

これらの開発研究は国立天文台ハワイ観測所、平成20-21年度東北大学若手飛躍・発展支援プログラム、平成22年度理学研究科若手研究者奨励基金、平成21年度国立天文台大学支援経費「委託研究」、平成22年度国立天文台共同開発研究の協力・支援を受けて行われています。感謝します。