[論文レビュー] GRAVITY: the VLTI 4-beam combiner for narrow-angle astrometry and interferometric imaging

Nicolas Blind, F. Eisenhauer+24 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

GRAVITYは、ファイバー駆動の統合光学ビームコンビナーとレーザー干渉計測定を用いて、10マイクロアーキセコンドの天体測位とKバンドでミリアーキセコンド解像度の像を実現する第二世代VLTI機器である。4台の望遠鏡からの光を、ナノメートル未満のパス長安定性を実現する高度なファイバー光学および位相追跡システムにより、位相を保ったまま合成することで、Sgr A*周辺の星の運動、ブラックホールの力学的挙動、降着流の精密測定が可能になる。

ABSTRACT

GRAVITY is the second generation Very Large Telescope Interferometer instrument for precision narrow-angle astrometry and interferometric imaging in the Near Infra-Red (NIR). It shall provide precision astrometry of order 10 microarcseconds, and imaging capability at a few milliarcsecond resolution, and hence will revolutionise dynamical measurements of celestial objects. GRAVITY is currently in the last stages of its integration and tests in Garching at MPE, and will be delivered to the VLT Interferometer (VLTI) in 2015. We present here the instrument, with a particular focus on the components making use of fibres: integrated optics beam combiners, polarisation rotators, fibre differential delay lines, and the metrology.

研究の動機と目的

• Sgr A*周辺の強力な重力場における一般相対性理論の検証を目的とした、1マイクロアーキセコンド未満の測位を達成すること。
• ブラックホールや若い星形成天体のようなコンパクトな天体の高解像度干渉計像を可能にすること。
• ファイバーを用いたビーム結合とリアルタイム干渉計測定により、大気的および機械的不安定要因を克服すること。
• 近赤外域における位相参照画像化および分光干渉計測に耐久性があり、高スループットなシステムを開発すること。
• 活動銀河核および星団の動的挙動研究を含め、VLTIの科学的範囲を拡張すること。

提案手法

• 4台のVLT望遠鏡から来た光を単モード光ファイバーで空間フィルタリングし、位相を保ったままビームコンビナーに搬送すること。
• 統合光学ビームコンビナー（IOBC）を用いて4本のビームを、6本の基線に跨る24出力に位相を保ったまま合成すること。
• 1908 nmのレーザー干渉計測システムを導入し、科学光と同じ光学パスをたどることで、5 nmの精度でパス長差を測定すること。
• 異なる周波数で変調された電気光学的位相シフト器を用い、ロックインアンプにより位相信号を抽出することで、高感度でノイズに強く強い位相検出を実現すること。
• 偏光回転器とファイバー差分遅延ラインを統合し、位相の整合性を維持するとともに、パス長の変動を補正すること。
• 赤外波面センサとフレアトラッカーを統合し、リアルタイムでポイント spread function（PSF）を安定化させ、大気のピストン誤差を補正すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRAVITYは、Sgr A*周辺の強力な重力場における一般相対性理論の検証を可能にする10マイクロアーキセコンドの測位を達成できるか？
• RQ2 ファイバー駆動のビーム結合と干渉計測は、ミリアーキセコンド解像度で安定的かつ高コントラストな干渉計像を実現できるか？
• RQ3 1908 nmのレーザー干渉計測システムは、5 nmまでの光学パス変動をどれほど効果的に補正できるか？
• RQ4 十分な感度と安定性を備えた状態で、活動銀河核の幅広いライン領域の動的挙動を解像できるか？
• RQ5 統合光学とファイバー光学を用いることで、自由空間光学と比較して、干渉計測定の安定性と効率がどのように向上するか？

主な発見

• 統合光学ビームコンビナー（IOBC）は、Kバンド全域で平均53%の透過率を達成しており、1.9〜2.1 µmの範囲でピーク70%に達している。
• IOBCは、全スペクトル帯域で94%を超えるフレアコントラストを維持しており、高精度な機器可視度と感度を保証している。
• レーザー干渉計測システムは、第3のキャリアビームを導入することで蛍光を1000〜10000倍低減させ、効果的にフル感度を回復させた。
• 位相測定の帯域幅が100 Hzに向上し、ノイズの抑制と検出感度の向上が顕著に改善された。
• パス長安定性が5 nm未満に達しており、天体測位に必要な10 µasの要件を満たしている。
• 本機器は現在、MPEで最終組立および試験を実施中であり、2015年にVLTへ納品され、2015年10月に据え付けを計画している。