GUNDAM のための近赤外線観測技術

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 ArrayDetector 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。 • 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 宇物の矢部くんが色々と計算をしているはず Leinert+98 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 • : Blackbody • : 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 dispersed image Simulated direct 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 G141Ground calibration; simulated single point source detector defects Combined white light + direct image Target position on direct image 0th order +1st order Science 1.1 -1.7mu +2nd order +3rd order 1014 pixel (full size) ~130 arcsec

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) 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 • 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 • 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？ • 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

GUNDAM のための近赤外線観測技術