[論文レビュー] A Warm Near-Infrared High-Resolution Spectrograph with Very High Throughput (WINERED)

Sohei Kondo, Yuji Ikeda+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2015

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

WINERED は、環境温度での光学素子と冷却された HgCdTe アレイを用いた、高スループットで温かい近赤外分光計であり、28,300 のスペクトル分解能と 30% 以上のスループットを達成する。10m テレスコープ上での J バンドの限界等級は 18–19 であり、微弱な天体に対する高感度で高分解能の分光測定を可能にする。

ABSTRACT

WINERED is a newly built high-efficiency (throughput$ > 25-30\%$) and high-resolution spectrograph customized for short NIR bands at 0.9-1.35 ${ m μ}$m. WINERED is equipped with ambient temperature optics and a cryogenic camera using a 1.7 ${ m μ}$m cut-off HgCdTe HAWAII-2RG array detector. WINERED has two grating modes: one with a conventional reflective echelle grating (R$\sim$28,300), which covers 0.9-1.35 $μ$m simultaneously, the other with ZnSe or ZnS immersion grating (R$\sim$100,000). We have completed the development of WINERED except for the immersion grating, and started engineering and science observations at the Nasmyth platform of the 1.3 m Araki Telescope at Koyama Astronomical Observatory of Kyoto-Sangyo University in Japan. We confirmed that the spectral resolution ($R\sim$ 28,300) and the throughput ($>$ 40\% w/o telescope/atmosphere/array QE) meet our specifications. We measured ambient thermal backgrounds (e.g., 0.06 ${ m [e^{-}/sec/pixel]}$ at 287 K), which are roughly consistent with that we expected. WINERED is a portable instrument that can be installed at any telescope with Nasmyth focus as a PI-type instrument. If WINERED is installed on a 10 meter telescope, the limiting magnitude is expected to be J=18-19, which can provide high-resolution spectra with high quality even for faint distant objects.

研究の動機と目的

• 天文観測における感度向上を目的とした、高スループットで高分解能の近赤外分光計の開発。
• 従来の近赤外分光計の2倍以上、25–30% のスループットを達成すること。
• 0.9–1.35 µm 波長域で ZnSe/ZnS インマージョングレーティングを用いて、高分解能分光測定 (R ~ 100,000) を実現すること。
• 0.9–1.35 µm の波長窓で環境温度で動作させることで、熱的バックグラウンドを最小限に抑えること。
• 任意のテレスコープのナズミークス焦点に設置可能な、ポータブルで PI 形式の装置として設計すること。

提案手法

• 環境温度下で動作する反射型エッケルグレーティングを用い、ワイドモードで 0.9–1.35 µm をカバーし、R ~ 28,300 を達成する。
• 1.7 µm カットオフを持つ HgCdTe HAWAII-2RG アレイ検出器を約 70 K に冷却した冷却カメラを採用する。
• ハイレゾリューションモードで ZnSe や ZnS のインマージョングレーティングを用い、R ~ 100,000 を達成する。
• カメラと検出器を除くすべての光学素子を環境温度で動作させ、熱的バックグラウンドとシステムの複雑さを低減する。
• 287–299 K の範囲で環境温度の熱的バックグラウンドを測定し、熱的バックグラウンドモデルの妥当性を検証し、性能最適化を図る。
• 異なる望遠鏡（1.3m から 10m）におけるスループット、量子効率、環境温度バックグラウンドの値を用いて、検出限界を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温かい、高スループット分光計は、0.9–1.35 µm の近赤外帯域で 30% 以上のスループットを達成できるか？
• RQ2 環境温度下での熱的バックグラウンドは性能にどの程度影響を及ぼし、正確にモデル化可能か？
• RQ3 10m 級望遠鏡に WINERED を搭載した場合、高分解能分光測定の可能な限界等級は何か？
• RQ4 ポータブルで PI 形式の分光計は、さまざまな望遠鏡に一貫した性能で効果的に設置可能か？
• RQ5 インマージョングレーティングモード (R ~ 100,000) とエッケルモード (R ~ 28,300) の感度およびバックグラウンド特性を比較すると、どのような差異が生じるか？

主な発見

• エンジニアリング観測において、WINERED は R ~ 28,300 のスペクトル分解能を達成し、望遠鏡、大気、アレイの量子効率を除いたスループットが 40% を超えた。
• 287 K での環境温度バックグラウンドは 0.06 e⁻/sec/pixel であり、理論的予測と整合的で、温度が低下するにつれて減少した。
• WINERED が 10m 望遠鏡に搭載された場合、最適なバックグラウンド条件を想定すると、J バンドの限界等級は m_J = 18–19 と推定される。
• 熱的バックグラウンドのカウントは環境温度に強く相関しており、287 K 時に約 0.06 e⁻/sec/pixel、299 K 時に約 0.14 e⁻/sec/pixel に増加した。
• 寸法が 1.8 m × 1.0 m × 0.5 m、重量が約 250 kg とコンactな設計であるため、ナズミークス焦点を持つ任意の望遠鏡に PI 形式で設置可能である。
• 273 K への熱的バックグラウンドデータの外挿により、280 K 未満でバックグラウンド制限性能が達成可能であることが示唆され、将来的な低温度運用の可能性を裏付けた。