[論文レビュー] Submillimeter telescope for the Russian segment of the ISS: Submillimetron Project

V. Gromov, L. S. Kuzmin+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2001

Superconducting and THz Device Technology被引用数 6

ひとこと要約

Submillimetronプロジェクトは、国際宇宙ステーションのロシアセグメントを対象に、60 cm冷却鏡と新規の常金属ホットエレクトロンボロメータ（NHEB）を備えた、自由飛行型のサブミリ波および赤外線宇宙望遠鏡を提案している。この設計により、1 THz近傍でバックグラウンド制限感度が達成され、1 arcmin解像度で全天空サーベイが可能となり、感度は3–12 mJyまで達する。これは、サブミリ波サーベイにおいて、過去のミッションを10倍以上上回る感度を実現する。

ABSTRACT

The Submillimetron is the international project of the space telescope for astronomical studies at the submillimeter and infrared wavelengths using facilities of the Russian segment of the International Space Station (ISS). The concept of the telescope includes a 60 cm mirror cooled to liquid helium temperature with a novel type of microbolometers arrays using effects of superconductivity. This combination gives unique possibility to realize background limited sensitivity in the spectral minimum of the extraterrestrial background near frequency 1 THz between peaks of galactic dust emission and CMB. The angular resolution about 1 arcmin, field of view about 1 degree, and optics are similar to IRAS satellite, but the sensitivity is better on more than order of magnitude for about 10^-18 W/Hz^-1/2. This improvement and another spectral region permits to reveal in full sky survey considerably more new astrophysical objects. The concept of free flying instrument with periodic docking to ISS gives possibility to combine low cost with reliability, refilling, repairment and maintenance.

研究の動機と目的

• 国際宇宙ステーションのロシアセグメントを活用し、低コストで信頼性が高く保守可能なサブミリ波および赤外線天文用宇宙望遠鏡の開発。
• 60 cm冷却望遠鏡と0.1 Kで動作する新規NHEBボロメータを組み合わせることで、1 THz近傍のサブミリ波帯域でバックグラウンド制限感度を達成すること。
• 1 arcmin解像度でサブミリ波源の全天空サーベイを実施し、過去のミッションと比較して混乱制限の源検出性能を顕著に向上させること。
• 宇宙空間における高度なNHEBボロメータの実用性を検証・実証し、将来の冷却望遠鏡（例：Millimetron）の技術的道筋を示すこと。
• サブミリ波および赤外線波長域で、宇宙背景の非一様性、活発銀河核、銀河間塵、および冷たい物質の研究を実施すること。

提案手法

• 望遠鏡は、放射冷却、アクティブ冷却、液体ヘリウム貯蔵を含む多段階冷媒システムにより5 Kに冷却されたカッシグレイン光学系を採用している。
• ボロメータはミリケルビン冷却器（mKC）により0.1 Kに冷却され、熱雑音を最小限に抑え、宇宙背景限界に近い感度を実現している。
• サブミリ波放射の低雑音検出に適した、サブミクロンスケールのセンサとSQUIDベースの読み出し方式を備えた常金属ホットエレクトロンボロメータ（NHEB）を採用している。
• 二色性ビームスプリッターがサブミリ波と赤外線信号を分離し、それぞれのバンドに最適化された検出器アレイに導く。
• プログレス貨物モジュールを基盤とする自由飛行型宇宙船に搭載され、定期的なドッキングにより保守・アップグレードが可能である。
• 地球の赤外線放射および汚染物質から光学系を保護するため、大がかりな反射性で冷却されたサンシェードを装備している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1 K冷却NHEBボロメータを搭載した自由飛行型サブミリ波望遠鏡は、1 THz帯域でバックグラウンド制限感度を達成できるか？
• RQ2 国際宇宙ステーション上に設置された60 cm冷却望遠鏡を用いた全天空サーベイで、得られる最大感度と角度分解能は何か？また、IRAS や ISO といった過去のミッションと比較してどうなるか？
• RQ3 モジュール型でドッキング可能な宇宙船プラットフォームの使用により、ミッションコストの低減と信頼性の向上が図られ、軌道上での保守・機器アップグレードが可能になるか？
• RQ4 NHEBボロメータの広い動作温度範囲と電子冷却機構は、高バックグラウンド環境下のサブミリ波帯域において、TESボロメータと比較して性能をどのように向上させるか？
• RQ5 1 arcmin解像度で実施する高感度サブミリ波サーベイは、冷たい銀河間塵、活発銀河核、および宇宙背景源の検出・特徴抽出をどの程度向上できるか？

主な発見

• Submillimetron望遠鏡は、サブミリ波帯域で1秒積分時間あたり3–12 mJyの感度を達成し、過去のミッションを10倍以上上回る。
• 実験ではNHEBボロメータのNEP（ノイズ等価電力）が5×10⁻¹⁸ W/Hz¹/²に達しており、これはアンプ雑音に制限されている。一方、熱揺らぎ雑音は0.1 Kで2×10⁻¹⁹ W/Hz¹/²まで低下している。
• 望遠鏡の角度分解能は1 arcminから10 arcminであり、1°の視野を有しており、高解像度の全天空サーベイが可能である。
• システムの感度は、銀河間ダスト放射とCMBの間のスペクトル最小付近（1 THz付近）の宇宙背景にのみ制限されており、他の要因は無視できる。
• プログレスモジュールを基盤とする自由飛行型宇宙船の採用により、低コストでの打ち上げ、軌道上での保守、将来的な3.5 m鏡へのアップグレードが可能である。
• 大がかりな冷却反射性サンシェードと多段階冷却を組み合わせた設計により、熱的および放射的汚染が効果的に抑制され、0.1 Kの検出器が安定して動作することが確認された。