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あいねまきい
5 years ago
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1 東京大学アタカマ天文台 (TAO) 計画東京大学天文学教育研究センター酒向重行 TAO 計画グループグローバルな宇宙天文観測研究会 2012 年 2 月 20 日国立天文台すばる棟大セミナー室

2 アウトラインはじめに赤外線で宇宙を見る TAO 計画のあゆみ minitaoの今 minitaoからtaoへ

3 東京大学アタカマ天文台 (TAO) 計画世界最高所の天文台南米チリアタカマ高地チャナントール山標高 5,640m 口径 6.5mの大型赤外線望遠鏡を建設

4 TAO が切り開く宇宙 Origins of Galaxies and Planets Where do we come from? Where are we going? the Univ. of Tokyo Atacama Obs. TAO The background images are from ESA, NASA, and Kravsov+2000, ApJ

5 口径 1.0-m minitao 望遠鏡 TAO サイトの開拓を目的としたパイロット望遠鏡 The background Image is from NASA.

6 赤外線で宇宙を見る我々はなぜアタカマに辿り着いたのか?

次の 10 年に託された課題銀河の誕生と進化近赤外線多色広視野撮像で探る銀河の進化, 多天体分光サーベイで探る z 2 銀河の星形成史, 遠方赤外線銀河のダスト放射物理の解明, サブミリ波銀河と隠された星形成史, Pa で探る近傍宇宙の星形成パノラマ, 超巨大質量ブラックホール進化, Fe ii/mg ii 輝線強度比の測定による第一世代星形成時期の推定, ダストに埋もれた活動銀河核の探査,

7 次の 10 年に託された課題銀河の誕生と進化近赤外線多色広視野撮像で探る銀河の進化, 多天体分光サーベイで探る z 2 銀河の星形成史, 遠方赤外線銀河のダスト放射物理の解明, サブミリ波銀河と隠された星形成史, Pa で探る近傍宇宙の星形成パノラマ, 超巨大質量ブラックホール進化, Fe ii/mg ii 輝線強度比の測定による第一世代星形成時期の推定, ダストに埋もれた活動銀河核の探査, 変光現象で探る活動銀河核の構造と進化, 近赤外超新星サーベイ, 近傍超新星の測光分光観測, Ia 型超新星による宇宙膨張測定, 活動銀河核の変光観測による宇宙膨張測定, 宇宙論的な観測惑星の誕生と進化トランジット観測による系外惑星の性質解明, トランジット周期変動 (TTV) 法, 小中質量星の星惑星形成, 大質量星の星惑星形成, 星と星間物質, 星間ダストの供給問題, 大質量星の進化とダスト形成, 中小質量星の進化とダスト形成, 分子雲におけるダスト形成, 原始惑星系円盤の時間変動, 太陽系内小天体金星, 木星, 彗星, 小惑星

8 次の 10 年に託された課題銀河の誕生と進化ダークマターに支配された暗黒の宇宙で銀河はどのように生まれそして現在の姿へと進化しえたのか? 銀河の進化を支えた立役者とは? 深宇宙の広域探査赤方偏移高感度赤外線観測惑星の誕生と進化存在の普遍性が確固たるものとなった系外惑星同時に見えてきた多様性は何が引き起こしているのか? 生命につながる手がかりとは? 惑星のゆりかごの探査透過力高感度赤外線観測

9 赤外線望遠鏡の感度 signal noise F 天体 A 大気 A 望遠鏡 A 装置 D 2 t 積分 F 背景 d PSF 2 D 2 t 積分 d PSF F 天体 A 大気 A 望遠鏡 A 装置 D F 背景 t 積分

10 赤外線望遠鏡の解像度回折限界 d PSF ~ λ / D 大気乱流で悪化 point spread function 明るさ d PSF 測定される PSF 余分な背景成分が混入するため感度も劣化する角度 ( 位置 ) 乱流大気シーイング λ D

11 高感度の赤外線観測に向けて大型望遠鏡 + 高感度観測装置望遠鏡の運用方法 signal noise F 天体 A 大気 A 望遠鏡 A 装置 D t 積分 F 背景 d PSF 好条件の観測サイトチリアタカマ d PSF F 天体 A 大気 A 望遠鏡 A 装置 D F 背景 t 積分

12 地球大気による赤外線の吸収地球の大気 ( 分子電離ガス ) などにより宇宙からの電磁波は吸収される標高の高い場所では上空の大気が薄くなるため吸収の影響が減少する 12

13 上空の水蒸気量と標高の関係可降水量 PWV (precipitable water vapor) (mm) 2 ハワイマウナケア山 band 3 約 1/2 TAO サイト Takato 標高 (m) 13

14 地球大気の窓赤 : VLT 望遠鏡サイト黒 : TAOサイト標高 2600m (PWV = 2.0mm) 標高 5640m (PWV = 0.5mm) 可視光近赤外線中間赤外線 14

15 背景放射によるノイズポアソンノイズ ( 光子数 ) 明るさ明るさ天体背景放射天体背景放射 15

16 光子数 (photons s -1 m -2 um -1 arcsec -2 ) 背景放射の強度 OH 夜光その他の散乱光地球大気からの熱放射望遠鏡からの熱放射 (273K) 波長 (μm)

17 シーイングサイズ λ -1/5 大気シーイングシーイングサイズ ( 可視光 ) ハワイマウナケア山 0.6 秒角岡山観測所 1.5 秒角東京 2.0 秒角回折限界像成層圏ジェット気流高度 10,000m 対流圏ゆらいだ像高度 ~100m 接地境界層乱流

18 高感度赤外線望遠鏡 TAO 地球上で最も赤外線観測に適したサイトに大型赤外線望遠鏡を建設する計画チリ共和国アタカマ高地チャナントール山標高 5,640m 18

19 TAO 計画のあゆみ

20 東京大学天文学教育研究センター木曽観測所 ( 長野県木曽町 ) 東京大学アタカマ天文台 TAO( チリ共和国 ) 諸隈講演本部 ( 東京都三鷹市 )

21 東大天文センターの TAO メンバ教授 (3 名 ) 准教授 (4 名 ) 助教 (6 名 ) 研究員 (5 名 ) 技術職員 (4 名 ) 吉井 (P.I. センター長) 土居河野川良田中宮田本原田辺峰崎酒向諸隈田村小西高橋越田上塚松永三戸青木征矢野樽沢加藤大学院生 (>5 名 ) 中村浅野内山舘内岡田敬称略

22 TAO 計画の推進体制国立天文台宇宙航空開発機構東京大学チリ大カトリカ大コンセプシオン大アリゾナ大コーネル大国内の大学国内の大学国内の大学国内の大学大学主体の体制

23 TAO 計画の歩み 2009 口径 1m minitao 望遠鏡

24 50km Calama Chile Bolivia 23.0S the TAO Site San Pedro de Atacama TAO site Argentina ALMA site TAO site Mt. Chajnantor (5,640m) ALMA site The images are from Google Earth and Google Map

25 世界で最も乾燥した町サンペドロデアタカマ TAO 計画のベースキャンプ年間降水量は 10mm

26 50km Calama Chile Bolivia TAO site 23.0S San Pedro de Atacama Argentina ALMA site Altitude (m) 2,300m ALMA site Calama 5,640m TAO site Mt. Chajnantor (5,640m) San Pedro de Atacama 2,400m Mt. Chajnantor 4,800m 2hours ALMA Distance (km) The images are from Google Earth and Google Map

27 2002 Trajectory Reached over the the Past Summit Decade of Mt. Chajnantor

28 2006 Road to the TAO 5.7 km to the summit 2009 Google Earth

30 2009 In prior to the 6.5-m TAO telescope, Completion of the 1.o-m minitao

31 2009 年 minitao 望遠鏡はギネスブックに世界最高所の望遠鏡として登録

32 minitao の開所式記念切手を発行 2010 年 7 月 7 日チリ共和国サンティアゴにて東京大学チリ科学省外務省在チリ日本大使館各種企業関係者 ( 参加者約 140 名 )

33 半分 minitao の今

34 チャナントール山標高 5,640m N 山頂 5,640m 6.5m-TAO 望遠鏡予定地アクセス道路全長 5.7 km 100m 1.0m-miniTAO 望遠鏡ゲート 5,075m 1 km

35 観測室望遠鏡ドーム太陽電池発電機室気象観測機器

36 日が沈むと山頂の観測施設発電機倉庫観測室太陽電池ドーム

37 minitao 望遠鏡 TAO に向けた科学的技術的試験望遠鏡口径 1.0m リッチークレチアン光学系視野 φ10, F/12 観測装置近赤外線装置 ANIR ( 小西講演 ) 中間赤外線装置 MAX38 ( 浅野講演 ) 突発天体太陽系内天体にも対応

38 観測室の風景 20フィートコンテナ (L6.1m x W2.4m x H2.6m) 発電機 + 太陽電池燃焼式トイレ水道なしインターネット完備寒い

39 ドームスリットを開けると

サイト調査の結果気温 -20 - -5 晴天率 82% ( 測光夜 63%) 可降水量

40 サイト調査の結果気温晴天率 82% ( 測光夜 63%) 可降水量 (PWV) mm 風速 10 m/s (typ.) シーイング 0.69 (median, 可視 ) 0.7 可視シーイングサイズ測定結果 Motohara+ 2008, Miyata 世界で最も赤外線観測に適したサイトの 1 つと言える

41 高山症状集中力低下体力の消耗イライラするすぐに喧嘩高山による問題酸素吸入を義務化 ( 標高 ~4,000m まで回復 ) 山頂作業は 4 人車 2 台以上で山頂滞在は 8 時間までハードウェア障害 HDD の機械的クラッシュ SSD に変更空気への放熱効率の低下 ( 熱暴走 ) 低温強い紫外線往復 4 時間の運転

42 山頂とサンペドロを無線 LAN で接続 2011 年 6 月サンペドロデアタカマ (2,500m) サンペドロの山麓施設 - 2.4GHz 無線 LAN ブリッジ - 転送速度数 Mbps を実現 - 将来的には光ファイバに変更する山頂施設チャナントール山 (5,640m)

43 100 m サンペドロ仮山麓施設 N 1,400 m 2 山頂の方向 1.0m-miniTAO 用山麓施設遠隔観測を行う山麓から見た minitao 無線 LAN アンテナ 6.5m-TAO 用山麓施設建設予定地

44 山麓からの遠隔観測の効果 2011 年 6 月より開始

45 最近 2 年間のアタカマでの活動 2010 年 5-6 月 (2か月) 観測スタッフ + PD 5 人, 大学院生 3 人うち組織的若手派遣 2 人 (2か月以上) 4 人 (2か月未満) 7 月 7 日開所式 9-10 月 (2か月) 観測スタッフ + PD 7 人, 大学院生 3 人うち組織的若手派遣 2 人 (2か月以上) 3 人 (2か月未満) 2011 年 2 月 (1 週間 ) 整備スタッフ 2 人 4-6 月 (2か月) 観測スタッフ + PD 8 人, 大学院生 5 人うち組織的若手派遣 2 人 (2か月以上) 5 人 (2か月未満) 9-11 月 (2か月) 観測スタッフ + PD 10 人, 大学院生 6 人うち組織的若手派遣 2 人 (2か月以上) 5 人 (2か月未満) 12-1 月 (2か月) 整備組織的若手派遣 1 人 (2か月以上)

46 mini-tao から TAO へ

47 6.5m-TAO 望遠鏡口径 6.5m Magellan 6.5m ( チリ ) がモデル EIE ( イタリア ) で初期検討国内企業で本検討開始光学パラメータ口径 6.5m, 赤外線仕様 F/12.2, Ritchey-Chretien 光学系基本的にすばる望遠鏡と同じ視野 φ25 3 焦点ナスミス赤外ナスミス可視カセグレン中間赤外予算措置後 6 年間で建設

48 6.5m-TAO の設計検討現在シミュレーションによる設計検討を進めている基本パラメータ ( サイズ重量など ) 駆動機構の設計 FEM 計算

49 6.5m-TAO の科学的戦略 Ω 視野面積 [arcmin 2 ] UKIRT CFHT VISTA TAO VLT Keck Subaru HST JWST (PSF different) TMT A 口径 [m] 近赤外線 : 広視野中間赤外線 : 高空間分解能

50 現在 2 台の観測装置を開発中近赤外線装置 SWIMS 中間赤外線装置 MIMIZUKU

51 TAO 装置開発用の新実験棟東京大学天文学教育研究センター ( 三鷹 ) の敷地内に 2011 年 3 月に完成

近赤外線広視野多天体分光器 Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph 広視野 + 近赤外線 2 色同時観測 + 多天体分光ユニット Specifications of SWIMS Observation Mode Imaging

Red : R ~ 500 900 Number of slit masks ~ 20 (including long slit masks) MOS multiplicity ~ 30 objects/mask Expected Total Throughput Imaging: 31%, Spectroscopy:

52 近赤外線広視野多天体分光器 Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph 広視野 + 近赤外線 2 色同時観測 + 多天体分光ユニット Specifications of SWIMS Observation Mode Imaging and multi-object spectroscopy Dimensions, weight 2.0 x 2.0 x 2.0 m 3, 2.5 tons Field of View f9.6 arcmin Spatial Resolution 0.12 arcsec/pixel Wavelength Range / mm (blue/red channel) Detector MCT 2k x 2k x 8 Filters (broad-band, narrow-band) Y, J, H, K s, N129, N133, N1875, N195 Spectral Resolution Blue : R ~ 700 1,000 Red : R ~ Number of slit masks ~ 20 (including long slit masks) MOS multiplicity ~ 30 objects/mask Expected Total Throughput Imaging: 31%, Spectroscopy: 20% Expected limiting AB magnitudes Imaging (1hr, S/N=5) Spectroscopy Y=25.0, J=24.2, H=23.4, K s =23.7 Y=23.3, J=22.4, H=22.2, K s =21.9 (1hr, S/N=5, R=1,000) From Telescope mm FoV Layout l f9.6 arcmin 4x H2RG Slit mask Wide-field image slicer-type IFU (~100arcsec 2 ) in a conceptual design phase.

53 Redshift ~ 3-1 the era of dramatic galaxy evolution 星形成率の歴史星の総量 Z (Goto+10) Z (Marchesini+09) 現在の星の総量の約半分が形成された時代 dusty galaxy が増加爆発的星形成 (>100-1,000 M sun /yr) z~2 に多くの AGN が分布この時代なぜ銀河は活動的な状態を維持できたのか?

54 SWIMS 広視野サーベイ計画 z~1-3 の包括的な銀河カタログの作成をおこなう 1 多色近赤外線撮像サーベイ >3 deg 2 (~7x10 7 Mpc 3 ) >100 clusters, 20,000 galaxies 400 nights 2 多天体分光ユニットによる近赤外線分光フォローアップ R ~ 500-1,000 > 2,000 galaxies 400 nights すばる望遠鏡多天体分光装置の画像望遠鏡の運用時間をサーベイ観測へ集中的に投入する

中間赤外線観測装置 Mid-Infrared Multifield Imager for gazing the UnKown Universe 高解像度 + 30μm 帯観測 + 高精度測光 / 分光観測 Observation Mode Dimensions, weight Channel / Wavelength coverage Detector Field of View Spatial

55 中間赤外線観測装置 Mid-Infrared Multifield Imager for gazing the UnKown Universe 高解像度 + 30μm 帯観測 + 高精度測光 / 分光観測 Observation Mode Dimensions, weight Channel / Wavelength coverage Detector Field of View Spatial Resolution Spectral Resolution 1sig1sec Sensitivity Imaging (R~10) Spectroscopy (R~250) Specifications of MIMIZUKU Imaging and spectroscopy 2.0 x 2.0 x 2.0 m 3, 2.3 tons NIRchannel : 2-6 μm MIR-S channel: 6-26μm MIR-L channel: 26-38μm InSb 1k / Si:As 1k / Si:Sb 1k 2 x2 (normal mode) 1 x2 x2fields (w/ Field Stacker) / R ~ 250 (N-band/Q-band/30um-band) 30mJy@10um/ 130mJy@20um/ 150mJy@10um/ / 30um

56 Spatial resolution (arcsec) 広い波長範囲に高解像度 : 解像度 0.1 hot/warm inner 領域 < 10AU : 解像度 1.0 cold outer 領域 < 100AU 10.0 原始惑星系円盤 d=100pc 1.0 TAO m-TMT wavelength (um) 50

57 Field Stacker 2 台のピックアップ鏡により φ25 以内の任意の 2 視野を同時観測基準光源 ( 天体 ) と同時に目標天体を観測できる地球大気の変動の影響を除去高精度の測光分光観測を実現

58 高精度な測光 / 分光観測中間赤外線源の多くは短時間に変光しているようだ惑星やダストの起源への手がかり原始惑星系円盤 EX Lup only 3 years! amorphous silicate amorphous + crystallized silicate Abraham 晩期型星の周囲のダスト (AGB stars, WR stars, LBVs ) minimum maximum silicate Onaka Wavelength [um]

well-received in Chile. http://www.mofa.go.jp/region/latin/chile/ apec2010_sm.

59 チリのピニェラ (Piñera) 大統領が日本を訪問日本チリ首脳会談 ( 横浜 2010/11) TAO 東京大学浜田総長と会談 ( 東京 2010/11) TAO President Piñera, stating that the Tokyo Atacama Observatory (TAO) Project, a cooperation project in the field of astronomy, is well-received in Chile. apec2010_sm.html ピニェラ大統領は mini-tao 望遠鏡の完成は学術交流の象徴として高く評価しており口径 6.5 メートルの大型赤外線望遠鏡の実現にはチリ政府においても大きな期待を抱いていると述べました archive2010_j.html

60 本講演の内容赤外線で宇宙を見る TAO 計画のあゆみ minitaoの今 minitaoからtaoへ観測成果近赤外線 ( 小西 ) 中間赤外線 ( 浅野 )

TAO _p.pptx

TAO _p.pptx TAO PROJECT The University of Tokyo Atacama Observatory 5640 meters high at Chajnantor summit an observatory closest to the Heaven 東京大学アタカマ天文台 (TAO) 計画概要口径 6.5m 光赤外線望遠鏡をチリアタカマの世界最高地点 (5,640m) に建設赤外線の広い窓を活用し