[論文レビュー] A Near-Infrared Spectroscopic Survey at the SDSS 2.5-meter Telescope?

Michael F. Skrutskie, John C. Wilson|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、既存のファイバーおよびプラグプレートインfraストラクチャを活用して、SDSS 2.5メートル望遠鏡を近赤外分光測定に適応させる手法を提案している。これにより、銀河の赤色巨星の運動学的および元素組成の研究が、分解能R ~ 24,000（高分解能）およびR ~ 3,000（低分解能）の両モードで可能となる。ファイバーおよびコアクターの改造を施せば、H~14（R=3,000）およびH~12（R=24,000）の対象に対して30分間でSNR=10を達成可能であり、Hバンドにおける分子CNO線を用いた銀河赤色巨星の運動学的および元素組成の研究が可能となる。

ABSTRACT

We are posting this 10-year-old white paper to support an upcoming survey description paper for the SDSS-III Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) led by PI Dr. Steven Majewski. The white paper presented here was a contribution to a 2005 "futures" planning process for the Astrophysical Research Consortium led by Dr. Donald York that examined both prospects for extending the work of SDSS and SDSS-II as well as enhancing the capabilities of the Apache Point 3.5-meter telescope and the overall scientific reach of the Consortium. This particular white paper describes the potential for using the Sloan 2.5-meter telescope and its fiber optic infrastructure to conduct a galactic plane chemical abundance survey in the low-extinction 1.6um H-band. The survey would target >1000 red giant stars per night selected from the Two Micron All Sky Survey using a >200 fiber near-infrared spectrograph operating at spectral resolution of R~24,000 with a magnitude limit of H~12 - very close to the final APOGEE implementation. A number of features suggested in the white paper did not survive to the actual survey including an R~3000 low-resolution spectral mode emphasizing kinematics to a fainter magnitude limit of K~14, a tunable high-resolution grating (retired by using three HAWAII-2RG arrays to cover most of the H-band all at once), a refrigerated optical train (the actual APOGEE is LN2 cooled), and the use of InGaAs arrays (HgCdTe remained the most mature technology at the time of construction). The white paper also suggests making the APOGEE instrument accessible to the 3.5-meter telescope at Apache Point, a project now underway.

研究の動機と目的

• 既存の複数対象用ファイバーインfraストラクチャを活用して、SDSS 2.5メートル望遠鏡で近赤外分光測定を可能とすること。
• 可視光帯域分光器が多数存在する一方で、専用の近赤外分光器が不足しているという課題を克服すること。
• 赤色巨星の分光測定（R~24,000およびR~3,000）を用いて、銀河の運動学的および元素組成の進化を研究すること。
• 既存のファイバーおよびコアクターを改造することで、近赤外域への透過率を向上させる技術的妥当性を検証すること。
• HgCdTeと比較して低コストかつ低ノイズな代替手段としてのInGaAs検出器アレイの有効性を評価すること。

提案手法

• 既存のSDSSファイバーおよびプラグプレートシステムを近赤外用途に適応させ、2メートルのファイバー路と機械的構成を維持する。
• 交換可能な2つのグレーティングを用いて、R~3,000（弱い対象用）およびR~24,000（高分解能）のスペクトルモードを提供する。
• スペクトルカバレッジを0.9–1.8 μm（R=3000）および1.52–1.66 μm（R=24,000）に最適化し、ファイバー透過率が90％を超えるHバンドに焦点を当てる。
• 長波長域での透過率を向上させるために、高OH含有ファイバーを低OHファイバーに交換し、1.85 μm以降の透過率が40％に低下する現行ファイバーの問題を解消する。
• 融珪酸ガラス共通コアクター（Corning 7940/7980）のコーティングを再塗装または交換することで、2.0 μm以降の透過率を向上させ、可視光性能への影響を最小限に抑える。
• 2K x 2KのInGaAsアレイを検出器として採用し、天文学的用途における低ダーク電流および良好なノイズ性能の最新技術を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のインfraストラクチャを活用して、SDSS 2.5メートル望遠鏡を近赤外分光測定に効果的に再利用可能か？
• RQ2 現在のファイバーおよびコアクター系における近赤外波長域での透過率制限要因は何か？
• RQ3 改造された部品を用いて、H~14（R=3,000）およびH~12（R=24,000）の対象に対して30分間でSNR=10を達成するのは可能か？
• RQ4 InGaAs検出器アレイは、HgCdTeと比較して低コストで、高分解能近赤外分光測定に十分な性能を発揮できるか？
• RQ5 高分解能（R~24,000）分光器を望遠鏡背面に設置する際の機械的および熱的制約は何か？

主な発見

• 既存のファイバーおよびプラグプレートインfraストラクチャを活用することで、SDSS 2.5メートル望遠鏡はR~3,000およびR~24,000モードの近赤外分光測定調査を実施可能である。
• 長波長域のJバンドではOH吸収により透過率が約55％に低下するが、Hバンド（1.5–1.7 μm）では90％を超えるため、高分解能作業に最適な領域である。
• 1.85 μm以降では、現在の高OHファイバーの透過率は約40％に低下するため、Kバンド観測には低OHファイバーへの交換が不可避である。
• 共通コアクターの可視光最適化コーティングが2.0 μm以降の透過率を制限しているが、再コーティングまたは交換は可能であり、可視光性能への影響は最小限に抑えられる。
• 2K x 2KフォーマットのInGaAsアレイは分光器に実装可能であり、低ダーク電流および良好なノイズ性能を示し、実装に向けた準備が整っていると予想される。
• 1.52–1.66 μmをカバーする高分解能モード（R~24,000）では、H~12の対象に対して30分間でSNR=10を達成可能であり、赤色巨星のCNO線の精密な元素組成測定が可能となる。