[論文レビュー] The Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics Imager: First Results and On-Sky Performance

Thayne Currie, Olivier Guyon+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Adaptive optics and wavefront sensing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Subaru 冠頭形極端自己適応光学イメージャ（SCExAO）の初の実空性能結果を提示し、閉ループ冠頭形低次の波面センサ（CLOWFS）および焦点面波面制御（「スポットルーリング」）が対比を顕著に向上させることを示している。小角度分離（2–4 λ/D）において、スポットルーリングにより制御領域内での画像ノイズが約7倍低減され、検出限界が1–2マグニチュード向上する。これは、若年期のガス巨大惑星の高対比イメージングへの道筋を示している。

ABSTRACT

We present new on-sky results for the Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics imager (SCExAO) verifying and quantifying the contrast gain enabled by key components: the closed-loop coronagraphic low-order wavefront sensor (CLOWFS) and focal plane wavefront control ("speckle nulling"). SCExAO will soon be coupled with a high-order, Pyramid wavefront sensor which will yield > 90% Strehl ratio and enable 10^6--10^7 contrast at small angular separations allowing us to image gas giant planets at solar system scales. Upcoming instruments like VAMPIRES, FIRST, and CHARIS will expand SCExAO's science capabilities.

研究の動機と目的

• SCExAOの主要なフェーズ1部品、すなわち閉ループ冠頭形低次の波面センサ（CLOWFS）および焦点面波面制御（「スポットルーリング」）の実空性能を検証すること。
• 実観測条件下でCLOWFSおよびスポットルーリングがもたらす対比向上を定量化すること、特に小角度分離において。
• 将来の高次の波面制御および次世代機器との統合を想定した、高対比Exo-惑星イメージングの基盤を構築すること。
• 若年期の星の周囲で自己発光性のガス巨大惑星を検出可能とする、0.1–0.5”の角度分離で10⁶–10⁷の対比を達成する可能性を実証すること。

提案手法

• Polluxを対象に、Subaru望遠鏡の施設自己適応光学システム（AO-188）およびHiCIAOイメージャを用いたSCExAO装置を用いて実空テストを実施。
• CLOWFSを用いてチルト・ティルト誤差を補正し、約10⁻³ λ/Dの指向精度を達成。
• 焦点面で静的スプライクルをキャンセルするために可変ミラー（DM）を用いた「スポットルーリング」を実装し、星の周囲での対比を向上。
• 内部科学カメラ（XS）およびHiCIAOを用い、DMを平坦な電圧マップモードとスポットルーリング電圧マップモードで交互に切り替えながら画像を取得。
• 長露光画像を用いて、スポットルーリングアルゴリズムを用いて最も明るい回折特徴をブラインド補正。
• 残存するスプライクルをさらに抑制し、惑星検出可能性を向上させるために、角度差分画像法および後処理技術を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLOWFSはチルト・ティルト誤差の補正および指向安定性の向上において、実空でどの程度の性能向上を達成しているか？
• RQ2 焦点面波面制御（「スポットルーリング」）は、小角度分離において静的スプライクルノイズをどの程度低減させ、対比を向上させているか？
• RQ3 CLOWFS、スポットルーリング、および高次の波面制御の組み合わせは、若年期のガス巨大惑星の検出に適した高対比イメージングをどの程度達成できるか？
• RQ4 SCExAOの現在のフェーズ1構成を用いて、2–4 λ/Dでどの程度の対比レベルと検出限界が達成できるか？
• RQ5 将来的な高次の波面センシングおよび新規機器と組み合わせた場合、スポットルーリングおよびCLOWFSによる改善効果はどのようにスケーリングされるか？

主な発見

• スポットルーリングにより、フレーム全体の画像標準偏差が約半分に低減された。
• 制御領域内では、2–4 λ/Dの角度分離において、スポットルーリングが画像標準偏差を約7倍低減した。
• 最も明るい1回目の回折リングの部分では、スポットルーリング単体による対比向上は中程度（約2倍）であったが、持続的かつ実際のものであった。
• 小角度分離（2–4 λ/D）において、スポットルーリングにより検出限界が約1–2マグニチュード向上した。
• CLOWFSは約10⁻³ λ/Dの指向精度を達成し、高対比イメージングに適した安定した波面補正を可能にした。
• SCExAOは、将来の高次の波面制御を想定した高対比イメージングの実現可能性を成功裏に示した。1.6 μmで90％以上のストレール比を達成し、0.1–0.5”の角度分離で10⁶–10⁷の対比を実現可能である。