[論文レビュー] SST-GATE: A dual mirror telescope for the Cherenkov Telescope Array

Andreas Zech, Jean-Philippe Amans+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

SST-GATEは、Cherenkov Telescope Array（CTA）のための新しいシュバルツシルト＝カウダー二重鏡小型望遠鏡（SST）を提案する。低コストで、広い9°の視野角を実現しつつ、高い像分解能を達成することを目的としている。パリ天文台で建設中のプロトタイプは、分割された一次鏡と一体型の二次鏡を備え、アクティブなアライメントを実現しており、シミュレーションと初期の機械的統合を通じて実現可能性が確認され、100 TeVを超える高エネルギーガンマ線天文学の道を切り開く。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will be the world's first open observatory for very high energy gamma-rays. Around a hundred telescopes of different sizes will be used to detect the Cherenkov light that results from gamma-ray induced air showers in the atmosphere. Amongst them, a large number of Small Size Telescopes (SST), with a diameter of about 4 m, will assure an unprecedented coverage of the high energy end of the electromagnetic spectrum (above ~1TeV to beyond 100 TeV) and will open up a new window on the non-thermal sky. Several concepts for the SST design are currently being investigated with the aim of combining a large field of view (~9 degrees) with a good resolution of the shower images, as well as minimizing costs. These include a Davies-Cotton configuration with a Geiger-mode avalanche photodiode (GAPD) based camera, as pioneered by FACT, and a novel and as yet untested design based on the Schwarzschild-Couder configuration, which uses a secondary mirror to reduce the plate-scale and to allow for a wide field of view with a light-weight camera, e.g. using GAPDs or multi-anode photomultipliers. One objective of the GATE (Gamma-ray Telescope Elements) programme is to build one of the first Schwarzschild-Couder prototypes and to evaluate its performance. The construction of the SST-GATE prototype on the campus of the Paris Observatory in Meudon is under way. We report on the current status of the project and provide details of the opto-mechanical design of the prototype, the development of its control software, and simulations of its expected performance.

研究の動機と目的

• シュバルツシルト＝カウダー光学系を用いて、Cherenkov Telescope Array（CTA）用のコスト効率が良く、軽量な小型望遠鏡（SST）を開発すること。
• アクティブな鏡アライメントを備えた二重鏡設計の実現可能性を検証し、高い角度分解能と広い視野角を達成すること。
• 望遠鏡およびカメラのコストを最小限に抑えつつ、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線の検出に必要な高い性能を維持すること。
• 将来的なCTAのSSTアレイのプロトタイプとして機能し、1TeVから100TeV以上のガンマ線源を観測可能とすること。
• パリ天文台のマスター課程を通じて、科学的啓発活動および学術的トレーニングを支援すること。

提案手法

• SST-GATE望遠鏡は、4 mの分割一次鏡（M1）と2 mの一体型二次鏡（M2）を備えたシュバルツシルト＝カウダー光学系を採用しており、点スプレッド関数（PSF）の最小化を図るため、16次多項式で記述される非球面形状を採用している。
• 鏡のアライメントは、各鏡セグメントに3つのアクチュエータを設け、焦点面の最適な像質を維持するための動的調整を可能としている。
• カメラはM1とM2の間に設置されており、高速で低ノイズな信号検出を実現するため、ジアゲーモードのアバランチフォトダイオード（GAPDs）またはマルチアンプフォトマルチプライヤーを用いている。
• 光学的性能は、ROBASTおよびsim_telarrayを用いたシミュレーションと、CORSIKAを用いた大気シャワーのシミュレーションを組み合わせて評価されており、Cherenkov光応答をモデル化している。
• 制御ソフトウェアはモジュラー構造となっており、方位角および仰角の追尾、非垂直性、非垂直性補正のための専用サブプログラムが存在する。
• 望遠鏡のマストおよび支持構造によるシャドウ効果は、レイトレーシングシミュレーションにより定量的に評価されており、視野角に応じて11–13％の透過率低下が生じることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シュバルツシルト＝カウダー二重鏡設計は、VHEガンマ線検出に適した、1弧分未満の像分解能を実現する9°の広い視野角を達成できるか？
• RQ2 機械的および光学的アライメント誤差が、視野全体における点スプレッド関数（PSF）および像質に与える影響は何か？
• RQ3 マストやカメラ支持部品などの構造的部品が、望遠鏡の有効透過率および光集光効率に与える影響は何か？
• RQ4 アクティブな鏡アライメントと軽量構造を用いることで、性能を損なわずにコストをどの程度まで削減できるか？
• RQ5 SST-GATEプロトタイプの性能は、PSF、プレートスケール、信号透過率の面でシミュレーションとどの程度一致するか？

主な発見

• SST-GATEプロトタイプの有効集光面積は、約8.2 m²であり、二次鏡および構造的部品による遮蔽を補正済みである。
• プレートスケールは1度あたり39.6 mmであり、微細なピクセル化とCherenkovシャワー像の高分解能イメージングを可能としている。
• 中心点の点スプレッド関数（PSF）は約0.05°であり、中心源に対して優れた像質を示している。
• マストおよび支持構造によるシャドウ効果は透過率を11–13％低下させるが、これは現在のデイヴィス＝コットン望遠鏡と同等の値である。
• 20 TeVガンマ線大気シャワーの初期シミュレーションでは、良好に解像された広視野シャワー像が得られ、カメラの広い視野角と像の忠実度が確認された。
• プロトタイプはパリ天文台・メウドンで現在進行中であり、一次鏡セグメントおよび二次鏡の主要部品は製造・試験段階にあり、2014年中に完全統合が予定されている。