[論文レビュー] The Fibre Multi-Object Spectrograph (FMOS) for Subaru Telescope

Masahiko Kimura, Toshinori Maihara+40 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

FMOSは、すばる望遠鏡向けの近赤外線・ファイバー駆動型マルチオブジェクトスペクトログラフであり、30′径の視野内に最大400個のオブジェクトを同時にスペクトロスコピー可能である。これは、新規のファイバー位置決め装置（Echidna）、広視野補正レンズ、および2台の冷却スペクトログラフを用いることで実現され、システム効率は10%に達し、1時間積分でS/N = 5の条件下でJ = 20.1 mag、H = 19.8 AB magの限界星等級を達成する。

ABSTRACT

Fibre Multi-Object Spectrograph (FMOS) is the first near-infrared instrument with a wide field of view capable of acquiring spectra simultaneously from up to 400 objects. It has been developed as a common-use instrument for the F/2 prime-focus of the Subaru Telescope. The field coverage of 30' diameter is achieved using a new 3-element corrector optimized in the near-infrared (0.9-1.8um) wavelength range. Due to limited space at the prime-focus, we have had to develop a novel fibre positioner called "Echidna" together with two OH-airglow suppressed spectrographs. FMOS consists of three subsystems: the prime focus unit for IR, the fibre positioning system/connector units, and the two spectrographs. After full systems integration, FMOS was installed on the telescope in late 2007. Many aspects of performance were checked through various test and engineering observations. In this paper, we present the optical and mechanical components of FMOS and show the results of our on-sky engineering observations to date.

研究の動機と目的

• すばる望遠鏡向けに広視野・高多重性の近赤外線スペクトログラフを開発し、大規模銀河調査を可能にする。
• 主焦点部に限られた空間がある課題を克服するため、400オブジェクト同時観測を可能にする新規のファイバー位置決め装置（Echidna）を設計する。
• OHエアグラウの抑制と熱的遮断フィルターの統合により、近赤外線領域で高い分光効率と低背景レベルを実現する。
• エンジニアリング観測および主要サブシステムの実空テストを通じて、システム性能を検証する。
• 高多重性の利点を持つ深さのある広視野近赤外線スペクトロスコピーを提供することで、宇宙論的および銀河進化研究を可能にする。

提案手法

• FMOSは、主焦点に30′径の視野を提供する3素子近赤外線補正レンズ（0.9–1.8 μm）を用いる。
• 新規のファイバー位置決め装置Echidnaは、圧電素子駆動の4分割チューブを用い、15分間で400本のファイバーを10 μm未塔の精度で位置決めする。
• 2台の冷却赤外線スペクトログラフ（IRS1およびIRS2）を採用し、VPH回折格子と熱的遮断フィルターを組み合わせて背景を抑制する。
• 70 mの長さのファイバーを介して主焦点からスペクトログラフへ光を効率よく伝送し、高いスループットを維持する。
• XYゲンツリーに搭載された焦点面イメージャー（FPI）により、繰り返しのファイバー位置決めとスカイ画像取得が可能となり、視野の取得が可能になる。
• OHエアグラウの抑制は、遮断率約10のマスクを用いて達成され、さらなる改善の余地がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバー駆動型マルチオブジェクトスペクトログラフは、近赤外線領域で30′の視野内に400個のオブジェクトを同時に観測可能か？
• RQ2 Echidnaファイバー位置決めシステムの実現可能な配置精度と再設定時間はどの程度か？
• RQ3 スペクトログラフシステムにおいて、熱的およびOHエアグラウ背景はどの程度抑制可能か？
• RQ4 低分解能モードにおいて、深宇宙調査で達成可能な限界星等級と信号対雑音比は何か？
• RQ5 システム効率は理論的期待値と比較してどの程度か？性能を制限する要因は何か？

主な発見

• Echidnaは7回の反復後、98%のファイバーが目標位置から10 μm以内に配置され、再設定は15分未塔で完了する。
• ラスタースキャンによるファイバー配置精度は0.′′15未塔であり、オートガイド精度は0.′′18未塔未満である。
• 主焦点から検出器までのシステムスループットは10%であり、理論的期待値と整合的であるが、実際の効率は不一致や損失により7%にとどまる。
• IRS1における熱的背景の遮断効果は理想性能に近い値を示しており、冷却装置およびフィルターの効果的な動作を示している。
• 低分解能モードにおいて、1時間積分でS/N = 5の条件下でJ = 20.1 mag、H = 19.8 AB magの限界星等級が達成された。
• 1時間積分の積分後、JバンドおよびHバンドの両方で1 × 10⁻¹⁶ erg cm⁻² s⁻¹の発光線フラックスがS/N = 5で検出可能である。