[論文レビュー] Phase A Science Case for MAVIS -- The Multi-conjugate Adaptive-optics Visible Imager-Spectrograph for the VLT Adaptive Optics Facility

Richard M. McDermid, G. Cresci+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2020

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

MAVIS は、VLT の補助的適応光学施設（Adaptive Optics Facility）を活用することで、微弱で拡張した、および高赤方偏移の対象物を高分解能・広視野で撮影・分光するためのマルチコンジュゲート適応光学可視画像分光計である。その広いスカイカバレッジ、広い波長範囲（370–1000 nm）、および高い分光分解能（R ~ 10,000–20,000）の組み合わせにより、解像された星族、星形成、ブラックホールの運動学、再電離期銀河に関する前例のない研究が可能になる。

ABSTRACT

We present the Phase A Science Case for the Multi-conjugate Adaptive-optics Visible Imager-Spectrograph (MAVIS), planned for the Adaptive Optics Facility (AOF) of the Very Large Telescope (VLT). MAVIS is a general-purpose instrument for exploiting the highest possible angular resolution of any single optical telescope available in the next decade, either on Earth or in space, and with sensitivity comparable to (or better than) larger aperture facilities. MAVIS uses two deformable mirrors in addition to the deformable secondary mirror of the AOF, providing a mean V-band Strehl ratio of >10% (goal >15%) across a relatively large (30 arc second) science field. This equates to a resolution of <20mas at 550nm - comparable to the K-band diffraction limit of the next generation of extremely large telescopes, making MAVIS a genuine optical counterpart to future IR-optimised facilities like JWST and the ELT. Moreover, MAVIS will have unprecedented sky coverage for a high-order AO system, accessing at least 50% of the sky at the Galactic Pole, making MAVIS a truly general purpose facility instrument. As such, MAVIS will have both a Nyquist-sampled imager (30x30 arcsec field), and a powerful integral field spectrograph with multiple spatial and spectral modes spanning 370-1000nm. This science case presents a distilled set of thematically linked science cases drawn from the MAVIS White Papers (www.mavis-ao.org/whitepapers), selected to illustrate the driving requirements of the instrument resulting from the recent MAVIS Phase A study.

研究の動機と目的

• 可視光帯域全体にわたり、微弱で拡張した、および高赤方偏移の対象物に対して高空間分解能の撮影と分光測定を可能にすること。
• 複数の自然ガイド星（NGS）と広いパトロール半径を用いることで、既存の適応光学機器の限界を克服し、広いスカイカバレッジを実現すること。
• 将来的な ELT 機器（例：HARMONI や ERIS）と補完的となるように、高分光分解能と高いスループットを備えた光学帯域をカバーすること。
• 正確な運動学的・化学的測定を提供することで、銀河考古学、ブラックホールの運動学、初期銀河の進化といった重要な科学的課題を支援すること。
• ホワイトペーパーやワークショップからの繰り返しフィードバックを通じて、コミュニティの科学的要件を満たす機器設計を確立すること。

提案手法

• VLT の補助的適応光学施設（AOF）を活用し、4基のレーザー・ガイド星（LGS）と1基の自然ガイド星（NGS）を用いて、7アーキセコンドの視野で回折限界性能を達成する。
• マルチコンジュゲート適応光学（MCAO）システムを採用し、大気乱流の補正を広視野にわたって行い、画像の劣化を最小限に抑える。
• 370–1000 nm の波長範囲と分光分解能 R ~ 10,000–20,000 の可視光インテグレーテッド・フィールド分光計（IFS）を統合し、高いスループットを最適化する。
• イメージ・スライサー IFS の構造を採用することで、光の透過率と画像品質を最大化し、同時に高空間分解能の撮影と分光測定を可能にする。
• VLT の 8.2m 主鏡と AOF の wavefront sensing を活用し、0.03–0.05” のサブアーキセコンドの空間分解能と高い感度（1時間積算で AB mag ~26.5）を達成する。
• 赤波長域を 1 μm まで拡張することで、z ~ 7.22 の赤方偏移で Lyα 線放出にアクセス可能となり、宇宙の再電離の終焉を調べる上で不可欠である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能・広視野可視光撮影と分光測定は、銀河の外縁部に位置する低金属量星形成領域の内部運動をどのように解明できるか？
• RQ2 低質量星回りに存在する降着中の亜惑星的補助天体の頻度と性質は何か？ そして、高精度の径速度測定と撮影によってそれらをどのように検出できるか？
• RQ3 若い星形成天体におけるジェット発生の物理的メカニズムは何か？ そして、星形成における角運動量問題をどのように解消できるか？
• RQ4 MAVIS は、空間的に分解された運動学的解析と発光線診断を用いて、銀河団内のクラスタ銀河におけるラム圧ストリッピングの物理をどのように解明できるか？
• RQ5 低質量でコンactな銀河における、特大ブラックホールおよび核境界星集団の動的質量と運動学的構造は何か？

主な発見

• MAVIS は 7アーキセコンドの視野で 0.03–0.05” の空間分解能を達成し、可視光帯域全体にわたり回折限界の撮影と分光測定を可能にする。
• 本機器の赤波長域カバレッジは 1 μm まで拡張されており、z ~ 7.22 の Lyα 線放出（ビッグバン後 720 Myr）にアクセス可能である。
• 撮影と分光測定を同一施設で実行し、PSF や波長カバレッジを一致させることで、運動学的・動力学的測定における系統的不確実性を低減する。
• 最大 10 アーキセコンドのパトロール半径を持つ複数の NGS を用いることで、既存の AO 機器と比較して統計的スカイカバレッジが約 10 倍向上する。
• 1 時間積算で AB 等級感度が約 26.5 を達成し、観測時間の大幅に短縮で HST の撮影深度を上回る。
• 本機器の設計により、将来的な ELT 機器（例：HARMONI、ERIS）と完全に補完的となり、光学から近赤外域にわたり、多波長・多分解能の研究が可能になる。