[論文レビュー] MAORY: A Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY for ELT

P. Ciliegi, Guido Agapito+74 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 7

ひとこと要約

MAORYは、極大望遠鏡（ELT）のマルチコンjugートアダプティブオプティクス（MCAO）システムであり、3つの自然ガイド星（NGS）と6つのレーザー・ガイド星（LGS）を用いて、1-アングストローム²の視野で回折限界に近い近赤外線撮影を実現する。2つの重力不変の機器ポートを備え、MICADOと他の機器をサポートし、空の50％以上で40％以上のストレル比を達成する。深宇宙赤方偏移宇宙論、星の運動学、高赤方偏移銀河研究に最適化された性能を発揮する。

ABSTRACT

MAORY is the adaptive optics module for ELT providing two gravity invariant ports with the same optical quality for two different client instruments. It enable high angular resolution observations in the near infrared over a large field of view (~1 arcmin2 ) by real time compensation of the wavefront distortions due to atmospheric turbulence. Wavefront sensing is performed by laser and natural guide stars while the wavefront sensor compensation is performed by an adaptive deformable mirror in MAORY which works together with the telescope's adaptive and tip tilt mirrors M4 and M5 respectively.

研究の動機と目的

• 極大望遠鏡（ELT）のためのマルチコンジュゲートアダプティブオプティクス（MCAO）システムを開発し、広い視野で高分解能観測を可能にする。
• 重力に依存しない光学ポートを介して、2つのクライアント機器（MICADOと別の未定義機器）をサポートし、望遠鏡の向きに関係なく一貫した像質を保証する。
• 3つの自然ガイド星（NGS）と6つのレーザー・ガイド星（LGS）を用いて、大気乱流を補正することで、AO補正観測の空のカバレッジを少なくとも50％に達する。
• 近赤外線で回折限界の撮影を実現し、1ミリアングストローム未満の分解能を達成し、ハッブル宇宙望遠鏡やジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を上回る空間分解能を実現する。
• 高分解能と感度の向上により、惑星系、星系、高赤方偏移銀河形成の主要な天体物理学的科学課題を支援する。

提案手法

• 2モードAOシステムを実装：10アングストローム程度の領域で高補正を行う単一コンジュゲートアダプティブオプティクス（SCAO）と、広視野性能を向上させるマルチコンジュゲートAO（MCAO）。
• 1500アクトエータを持つ1つの可変形ミラー（DM）と、将来的にDMにアップグレード可能な2番目の剛体ミラーを用いて、重力の影響を受ける望遠鏡の向きに対しても光学的品質を維持する。
• 6つのビーコン（最大8つまでアップグレード可能）を45アングストロームの星図形に配置したレーザー・ガイド星（LGS）モジュールを統合し、高次の波フロント誤差を補正する。
• 3つの低次の波フロントセンサと3つのリファレンスセンサを用いて、160アングストロームの輪状領域（H ≤ 21.0等）を監視し、自然ガイド星（NGS）を探索する。
• 望遠鏡焦点面付近に非球面補正プレートを設置し、物体距離に関係なく、望遠鏡焦点とLGSの像が点像となるように維持する。
• 8つのLGSと2つのフォーカル後段DMを制御できるリアルタイムコンピュータ（RTC）を活用し、高い帯域幅で制御ループを更新し、大気の歪みをリアルタイムで補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6つのレーザー・ガイド星と3つの自然ガイド星を用いたマルチコンジュゲートアダプティブオプティクスシステムは、現実的な大気条件下で、空の50％以上で30％以上のストレル比を達成できるか？
• RQ2 MAORYのMCAOモードが、1-アングストローム²の視野で均一な性能を発揮する回折限界の撮影をどの程度実現できるか？
• RQ3 ベースラインの単一DMに加え、2番目の可変形ミラーを導入することで、さまざまな大気条件下でのシステムのロバストネスと性能がどの程度向上するか？
• RQ4 MAORY + MICADOが高赤方偏移銀河研究において達成可能な空間分解能は何か？特にz ≈ 6の星団を解像可能か？
• RQ5 MAORY + MICADOは、遠方の核的星団や超コンパクト矮星銀河の個々の星を解像可能か？これにより、詳細な光度・分光解析が可能になるか？

主な発見

• MAORYは、通常の大気条件下でも空の50％以上で40％以上のストレル比を達成し、30％という要件を上回り、単一のフォーカル後段DMでの運用でも強力な性能を示している。
• 2つの可変形ミラーを用いることで、ストレル比が50％に上昇し、単一DM運用と比較して顕著に性能とロバストネスが向上している。
• MCAOモードにより、60アングストロームの直径領域で均一な補正が可能であり、中心部から徐々に性能が低下するにとどまり、広視野・高分解能撮影の要件を満たしている。
• MAORYとMICADOの組み合わせにより、19×19アングストローム領域で1.5ミリアングストロームのピクセルスケールが達成され、ハッブル宇宙望遠鏡の30ミリアングストローム分解能を上回り、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の性能に近づいている。
• シミュレーションにより、MAORY + MICADOは、赤方偏移z ≈ 6の星団を物理スケール4～8パーセクまで解像可能であり、高赤方偏移スーパースター団の詳細な光度・分光解析が可能であることが示された。
• 本装置の設計は、同一の光学的品質を持つ2つの重力不変ポートをサポートしており、望遠鏡の指向にかかわらず一貫した性能を発揮する。これは、長時間露光や複雑な観測計画において極めて重要である。