[論文レビュー] Optical STJ Observations of the Crab Pulsar

M. A. C. Perryman, F. Favata+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 1999

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、光学バンドにおける超伝導トンネル接合（STJ）ピクセル検出器を用いた最初の天文学的観測を提示し、高時間分解能光子カウントおよびエネルギー分解能の能力を実証した。ウィリアム・ヘーシェル望遠鏡で6×6タニウム-STJアレイを用いて蟹中性子星を観測した結果、脈動周期中に顕著な色索引の変化が認められず、STJ技術が将来の光学時間領域天文学に適していることが裏付けられた。

ABSTRACT

We report the first observations of an astronomical object using a superconducting tunnel junction (STJ) device, a pixel detector with intrinsic energy resolution in the optical wavelength range. The Crab pulsar was observed using a 6 times 6 array of Tantalum STJs at the 4.2-m William Herschel Telescope on La Palma. Each array element provides photon counting capability recording up to ~ 10^3 photons per pix per s with an arrival time accuracy of about 5 microsecond, and providing a wavelength resolution of about 100 nm. We derive a photometrically resolved light curve which, however, shows no significant colour index variations with pulsar phase.

研究の動機と目的

• 超伝導トンネル接合（STJ）検出器が光学天文学に適しているか、特に高精度の時間測定およびエネルギー分解能を有する光子検出に適しているかを実証すること。
• 明るくよく特徴づけられた中性子星から光学光子を検出する目的で、タナリウムベースのSTJの6×6アレイの性能を検証すること。
• 蟹中性子星がその脈動位相に応じて測定可能な色索引（すなわちスペクトルエネルギー分布）の変化を示すかどうかを調査すること。
• 時間領域光学天文学に新たな観測技術を確立し、内在的なエネルギー分解能と1マイクロ秒未塔の時間精度を備えること。

提案手法

• タナリウムベースの超伝導トンネル接合（STJ）検出器の6×6アレイを用いて、蟹中性子星からの光学光子を検出した。
• 各STJピクセルは、時間分解能約5マイクロ秒、エネルギー分解能約100 nmで光子カウントが可能であった。
• 観測はラ・パルマの4.2メートルのウィリアム・ヘーシェル望遠鏡で実施され、STJアレイを用いて光子の到着時刻とエネルギーを記録した。
• データを用いて、スペクトル情報はSTJシステムのエネルギー分解能から得られる、光度的に分解された光度曲線を構築した。
• 分析では、中性子星の回転位相ごとの放射度と色索引を比較し、スペクトル変動の有無を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導トンネル接合（STJ）検出器は、中性子星の光学観測に十分な時間分解能およびエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 エネルギー分解能を有する光子検出から得られる推定において、蟹中性子星がその光学色索引に位相依存の変化を示すか？
• RQ3 6×6のSTJアレイは、実際の天文学的環境下で、光子カウントレート、時間精度、スペクトル分解能の観点でどの程度の性能を示すか？
• RQ4 STJ技術は、中性子星の新しいタイプの光学時間領域およびスペクトロ光度測定研究を可能にするか？

主な発見

• STJ検出器は、ピクセルあたり約5マイクロ秒の時間分解能で、蟹中性子星からの光学光子を正常に記録した。
• 各STJピクセルは、1秒あたり最大約10^3個の光子を記録でき、高レートの光学光子カウントの可能性を示した。
• STJアレイのエネルギー分解能は約100 nmであり、光学バンドにおける内在的なスペクトル分離が可能であった。
• 得られた光度的に分解された光度曲線には、中性子星の回転位相にわたる色索引の顕著な変化が認められなかった。
• 検出可能な色の変化が認められなかったことから、蟹中性子星の光学放射はその回転サイクルにわたってスペクトル的に安定していると考えられる。
• 本研究は、STJ技術が光学天文学に初めて成功裏に応用されたことを確立し、今後の高精度な時間およびエネルギー分解能を有する観測の可能性を示した。