[論文レビュー] FIRST, a fibered aperture masking instrument. I. First on-sky test results

Elsa Huby, G. Perrin+13 more|Open Repository and Bibliography (University of Liège)|Mar 22, 2012

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 23被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、単モードファイバーを用いて空間フィルタリングとアパーチャーマスキングを組み合わせることで、可視域における高動態範囲・高分解能イメージングを実現する、新しいファイバードアパーチャーマスキング計器FIRSTを提案する。リッジ天文台のシェイーン望遠鏡での初回の空撮テストでは、1°の標準偏差と閉ループ振幅の10%の精度で安定したクロージャー位相が得られ、計器の概念的妥当性が検証され、今後の高対比イメージングによる系外惑星や恒星環境の研究の可能性が示された。

ABSTRACT

In this paper we present the first on-sky results with the fibered aperture masking instrument FIRST. Its principle relies on the combination of spatial filtering and aperture masking using single-mode fibers, a novel technique that is aimed at high dynamic range imaging with high angular resolution. The prototype has been tested with the Shane 3-m telescope at Lick Observatory. The entrance pupil is divided into subpupils feeding single-mode fibers. The flux injection into the fibers is optimized by a segmented mirror. The beams are spectrally dispersed and recombined in a non-redundant exit configuration in order to retrieve all contrasts and phases independently. The instrument works at visible wavelengths between 600 nm and 760 nm and currently uses nine of the 30 43 cm subapertures constituting the full pupil. First fringes were obtained on Vega and Deneb. Stable closure phases were measured with standard deviations on the order of 1 degree. Closure phase precision can be further improved by addressing some of the remaining sources of systematic errors. While the number of fibers used in the experiment was too small to reliably estimate visibility amplitudes, we have measured closure amplitudes with a precision of 10 % in the best case. These first promising results obtained under real observing conditions validate the concept of the fibered aperture masking instrument and open the way for a new type of ground-based instrument working in the visible. The next steps of the development will be to improve the stability and the sensitivity of the instrument in order to achieve more accurate closure phase and visibility measurements, and to increase the number of sub-pupils to reach full pupil coverage.

研究の動機と目的

• 可視域で高動的範囲および高分解能を実現するために、空間フィルタリングとアパーチャーマスキングを組み合わせた新しい計器概念の開発。
• 特に小角度分離において顕著なスピークルノイズや光子ノイズを含む、現在の高対比イメージング技術の限界を克服すること。
• 明るい星のまわりの微弱な伴星を検出するための正確なクロージャー位相および可視度測定を可能にすること。
• 30個の可能なサブアパーチャーのうち9個を用いたプロトタイプを用いて、モノリシック望遠鏡へのファイバードピラットリマップの実現可能性を示すこと。
• 系外惑星および周惑星環境の研究に向けた、将来の計器に向けた基盤を築くこと。

提案手法

• 計器は単モードファイバーを用いて望遠鏡のピラットサブアパーチャーからの光を空間的にフィルタリングし、再結合することで非再帰的基線測定を可能にする。
• フラックスの注入を最適化するためのセグメンテッドミラーを採用し、結合効率と安定性を向上させる。
• 光線はスペクトル的に分散され、非再帰的構成で再結合され、独立した対比および位相情報が回復される。
• システムは短時間露光画像からクロージャー位相および振幅を測定し、基線測定の再帰性を活用して大気ノイズを低減する。
• データ処理には複数の10秒露光を合成して信号対雑音比を向上させるとともに、系統誤差を低減する。
• 計器は600–760 nmの波長範囲で動作し、全ピラットの30個のサブアパーチャーのうち9個のサブセットを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバードアパーチャーマスキングは、実際の空撮条件下で安定的かつ高精度なクロージャー位相測定を達成できるか？
• RQ2 単モードファイバーとアパーチャーマスキングの組み合わせが、可視域における動的範囲および分解能をどの程度向上できるか？
• RQ3 この計器におけるクロージャー位相測定の主な系統誤差要因は何か。それらは軽減可能か？
• RQ4 ファイバー数および積分時間の増加に伴い、性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 この計器概念は、アダプティブオプティクスや長基線干渉計と比較して、実用的かつ補完的な代替手段を提供できるか？

主な発見

• ベガおよびデネブで初回の空撮フレアが成功裏に得られ、計器の光学的およびメカニカルな機能性が確認された。
• 標準偏差約1°の安定したクロージャー位相が測定され、約100枚の露光を合成した最良ケースでは0.5°の精度に達した。
• クロージャー振幅の精度は最良ケースで10%に達し、さらなる精錬により可視度測定が可能である可能性を示した。
• 9ファイバーのプロトタイプは、17分間の積分後に再構成画像で約260の4σ動的範囲を達成したが、精度の向上と全ピラットカバレッジにより10^3～10^4にまで到達可能である。
• 外挿によると、30ファイバー版では、17分間の積分で1回のクロージャー位相精度が0.1°に達すれば、3時間以内に10^4の動的範囲を達成できると予想される。
• 系統誤差が主な制限要因のままではあるが、データ処理およびキャリブレーションの改善により、さらに精度と感度が向上すると期待される。