[論文レビュー] First Light for GRAVITY Wide: Large Separation Fringe Tracking for the Very Large Telescope Interferometer

GRAVITY Collaboration, :+115 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、非常に大きな望遠鏡干渉計（VLTI）向けに開発された新しい大間隔縞干渉モード、GRAVITY Wideを提示する。このモードにより、GRAVITYの天球スカイカバレッジが拡大され、天の川の広がりを有する明るくない、広く離れた天体をミリアーサクセンドの分解能で干渉測定可能となる。大気の非等像性とピープル重ね合わせ効果を活用することで、数アーキセondsの距離に達する分離に対してもコherー二ティを維持でき、mK=15.6の赤方偏移z=2.46のクェーサーの初光観測に成功した。これは、これまでに干渉測定された中で最も明るくない銀河系外天体の一つである。

ABSTRACT

GRAVITY+ is the upgrade of GRAVITY and the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) with wide-separation fringe tracking, new adaptive optics, and laser guide stars on all four 8~m Unit Telescopes (UTs), for ever fainter, all-sky, high contrast, milliarcsecond interferometry. Here we present the design and first results of the first phase of GRAVITY+, called GRAVITY Wide. GRAVITY Wide combines the dual-beam capabilities of the VLTI and the GRAVITY instrument to increase the maximum separation between the science target and the reference star from 2 arcseconds with the 8 m UTs up to several 10 arcseconds, limited only by the Earth's turbulent atmosphere. This increases the sky-coverage of GRAVITY by two orders of magnitude, opening up milliarcsecond resolution observations of faint objects, and in particular the extragalactic sky. The first observations in 2019 - 2022 include first infrared interferometry of two redshift $z\sim2$ quasars, interferometric imaging on the binary system HD 105913A, and repeated observations of multiple star systems in the Orion Trapezium Cluster. We find the coherence loss between the science object and fringe-tracking reference star well described by the turbulence of the Earth's atmosphere. We confirm that the larger apertures of the UTs result in higher visibilities for a given separation due to larger overlap of the projected pupils on sky and give predictions for visibility loss as a function of separation to be used for future planning.

研究の動機と目的

• 従来の干渉測定法の天球カバレッジ制限を克服し、等像パッチ外の明るくない、広く離れた天体の観測を可能にすること。
• 非常に大きな望遠鏡干渉計（VLTI）のGRAVITY装置の運用範囲を、数アーキセonds離れたオフアックス天体まで拡張すること。
• 明るくないオフアックスの標準星を用いた近赤外干渉測定性能の向上により、特に高赤方偏移クェーサーのような銀河系外天体の干渉測定を可能にすること。
• 大気乱流が広い分離干渉測定におけるコヒーレンスに与える影響を特定し、今後の観測戦略の立案に資すること。
• 将来的な全範囲干渉測定を可能にするGRAVITY+アップグレードの基盤を築くこと。特に、今後の高感度・全天球観測に向けた主要性能指標と運用モードの検証を行うこと。

提案手法

• GRAVITY装置とVLTIを用いて、最大数アーキセonds離れた科学的対象と参照星の光を同時に干渉的に結合する二ビーム縞干渉測定を実装する。
• 8 mユニット望遠鏡（UTs）を用いることで、1.8 m補助望遠鏡（ATs）よりも天球上でのピープル重ね合わせを高め、大分離距離における可視度とコヒーレンスを向上させる。
• Elhalkoujら（2008）の形式に従い、非等像角と視界条件を用いて大気によるコherー二ティ損失をモデル化し、分離距離に伴う可視度低下を予測する。
• 全4基のUTsに適応光学およびレーザーガイドスターサービスを適用し、波面を安定化させ、より明るくない天体への感度を向上させる。
• 提案書作成のための適切な縞干渉測定対象の特定に、JMMC AsproおよびLITproツールを活用する。
• 初光観測として、クェーサー、二重星（例：HD 105913A）、オリオン・トラペジウム・クラスタ内の複数システムを対象に、新モードの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VLTIにおける広い分離干渉測定において、大気の非等像性がコヒーレンスに及ぼす制限はどの程度か？
• RQ2 科学的対象と参照星の間の分離距離が増大する場合、天球上でのピープル重ね合わせが可視度および縞干渉測定性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 8 m UTsを用いたGRAVITYで、安定した縞干渉測定が可能な科学的対象と参照星の最大分離距離はどの程度か？
• RQ4 GRAVITY Wideは、高赤方偏移クェーサーのような明るくない銀河系外天体に対し、信頼性のある干渉測定縞を達成できるか？
• RQ5 広い分離観測において、8 m UTsと1.8 m ATsの間で、可視度およびコヒーレンスの観点から性能にどのような差が生じるか？

主な発見

• GRAVITY Wideは、mK=15.6の赤方偏移z=2.46のクェーサーに対して初光干渉縞を成功させ、これまでに近赤外干渉測定で観測された中で最も明るくない銀河系外天体である。
• 科学的対象と縞干渉測定用参照星の間の最大分離距離は、2アーキセondsから数アーキセondsまで拡張され、主に大気乱流に制限されている。
• 分離距離の増大に伴う可視度低下は、大気の非等像性によってよく説明され、8 m UTsでは1.8 m ATsよりも天球上でのピープル重ね合わせが大きいため、可視度が高くなる。
• 複数のオリオン・トラペジウム・クラスタ内の二重星システムで安定した縞干渉測定が達成され、いくつかの成分の軌道解が更新された。
• 二重星システムHD 105913Aにおいて干渉測定画像が得られ、近接した星の系に対して高コントラスト・高解像度画像化の能力が確認された。
• 今後のGRAVITY+アップグレード（レーザーガイドスターサービスおよび高度な適応光学を装備）により、星の視等級mK=13まで縞干渉測定が可能になると予測され、観測可能な対象はmK≈22まで拡大され、宇宙時間にわたる活動銀河核（AGN）の対象数は1000以上に拡大される。