[論文レビュー] Design study and first performance simulation of the ELT/MICADO focal plane coronagraphs

C. Perrot, Pierre Baudoz+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、極大望遠鏡（ELT）の近赤外カメラMICADO向けに、古典的リヨー冠状線形干渉計（CLC）の設計および性能シミュレーションを提示する。25および50 masの半径を有する二重焦点面マスクと、66.1%透過率を有するリヨー停止を用いたシミュレーションにより、MICADOは類似した分離距離においてSPHEREと同等のコントラストを達成することが示され、特に10mクラス望遠鏡がこれまで到達できなかった50〜150 masの角度的分離をカバーできるという主要な利点を有する。これにより、この範囲内に存在する若く高温で質量の大きな系外惑星の検出が可能になる。

ABSTRACT

In this paper, we present the design and the expected performance of the classical Lyot coronagraph for the high contrast imaging modes of the wide-field imager MICADO. MICADO is a near-IR camera for the Extremely Large Telescope (ELT, previously E-ELT), with wide-field, spectroscopic and coronagraphic capabilities. MICADO is one of the first-light instruments selected by the ESO. Optimized to work with a multi-conjugate adaptive optics corrections provided by the MOARY module, it will also come with a SCAO correction with a high-level, on-axis correction, making use of the M4 adaptive mirror of the telescope. After presenting the context of the high contrast imaging modes in MICADO, we describe the selection process for the focal plane masks and Lyot stop. We will also show results obtained in realistic conditions, taking into account AO residuals, atmospheric refraction, noise sources and simulating observations in angular differential imaging (ADI) mode. Based on SPHERE on-sky results, we will discuss the achievable gain in contrast and angular separation provided by MICADO over the current instruments on 10-m class telescopes, in particular for imaging young giant planets at very short separations around nearby stars as well as planets on wider orbits around more distant stars in young stellar associations.

研究の動機と目的

• MICADO、ELTの初期運用用近赤外カメラであるが、若く巨大な系外惑星を検出可能な高コントラストイメージングモードの設計を目的とする。
• 現実的なAO残存誤差および大気条件下で、古典的リヨー冠状線形干渉計（CLC）の焦点面マスクおよびリヨー停止を最適化することを目的とする。
• 特にSPHEREおよびGPIと比較して、現在の10mクラス望遠鏡と比較して、MICADOの角度差分画像法（ADI）モードにおける性能を評価することを目的とする。
• 特に10 pcの距離にある若き系外惑星のための角度的分離およびコントラスト限界を特定することを目的とする。特に50–150 masの範囲に注目する。
• 大気分散、機器的バックグラウンド、自己減算バイアスが検出限界に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 25および50 masの半径を有する二重焦点面マスクを用いたコロナグラフィー観測をシミュレートし、高い角度分解能および大気分散低減に最適化する。
• 88%のピントル径および40%の中心遮蔽率を有するリヨー停止を採用し、合計で66.1%の透過率を達成する。
• H2/CH4-shortおよびK1/K1-midの狭帯域フィルタを用いた1時間のADIシミュレーションを実施し、5σでの検出限界を評価する。
• AO残存誤差、大気屈折、光子ノイズ、読み取りノイズをモデル化し、現実の空での観測条件を再現する。
• cADI処理における光度および位置測定のバイアスを補正するため、偽の惑星の輝度に自己減算を加算して補正する。
• cADIおよびPCA後処理を用いたMICADOの検出限界を、AU MicのSPHEREの空での観測結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MICADOのコロナグラフィックモードは、同様の角度的分離距離においてSPHEREと同等のコントラスト性能を達成できるか？
• RQ2 MICADOのコロナグラフィックモードで、若く巨大な系外惑星を検出可能な角度的分離範囲はどの程度か？
• RQ3 大気分散は、バンド幅が広いフィルタと比較して、狭帯域フィルタでの画像品質にどのように影響するか？
• RQ4 コントラストの制限要因として、AO残存誤差が静的および準静的誤差よりも支配的である程度はどの程度か？
• RQ5 ADI処理における検出感度に、機器的バックグラウンドおよび自己減算バイアスが与える影響はどの程度か？

主な発見

• MICADOは150 masを超える分離距離においてSPHEREと同等のコントラスト性能を達成するが、50〜150 masの分離範囲へのアクセスが著しく向上している。
• Hバンドの検出限界はSPHEREと同等であるが、MICADOはKバンドでより高いコントラストを達成しており、主にSPHEREのKバンドにおける高い機器的バックグラウンドによるものである。
• 狭帯域フィルタは大気分散の影響を低減するために不可欠であり、バーストバンド観測では画像品質が劣化する。
• MICADOのシミュレーションにおけるコントラストはAO残存誤差に支配されており、静的および準静的誤差はSPHEREと比較して無視できるほど小さい。
• 高温で質量の大きな系外惑星（T ≥ 1200 K、M ≥ 2 MJ）が50–150 masの分離距離に存在する場合、検出可能な信号が得られることを示しており、発見の可能性が非常に高い。
• cADI処理における自己減算バイアスは、シミュレートされた惑星の輝度に加算することで補正され、光度および位置測定の精度が向上する。