[論文レビュー] Using UV-pass filters for bright Moon observations with MAGIC

D. Guberman, J. Cortina+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、420 nmでカットオフする低コストのUV透過フィルターを用いて、通常はPMTの損傷を避けるために観測が制限される満月の夜に、MAGIC望遠鏡を用いた非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線観測を可能にする手法を提案している。フィルターはチェレンコフ光の45%と月光の20%を透過させ、PMTへの影響を軽減することで、月の周辺5°以内の観測を可能にし、観測時間の約30%増加を実現する。感度は暗黒空の条件と比較して約50%低下するが、依然として実用的な観測が可能である。

ABSTRACT

MAGIC is a system of two Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) that observe Very High Energy (VHE) gamma ray sources. The PMTs in their cameras are designed to operate under moonlight, but they are limited to Moon phases below 93% (300 Moon hours per year), as they can get damaged if the amount of light they receive is too high. As a result, they cannot be used in the three to five nights around full Moon. We have selected commercial inexpensive UV-pass filters rejecting light above a wavelength of 420 nm, where the moonlight intensity is stronger. We mounted them on light-weight frames that can be easily installed on the telescope cameras. Test observations have been performed during the last nine months, from which a moonlight transmission of about 20% and a Cherenkov light transmission of about 45% are estimated. This allows the observation of sources down to an angular distance of 5 degrees to the Moon during Full Moon: essentially in the whole sky and all possible moonlight conditions. Therefore, the duty cycle of MAGIC can be extended by about 30%, including nights when VHE observations with IACTs are currently not feasible. Here we evaluate the preliminary performance, in terms of sensitivity and energy threshold, of the MAGIC telescopes equipped with the UV-pass filters under different moonlight intensities, as inferred from Crab Nebula observations and Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 月光によるPMT損傷という制限要因を克服し、現在年間約300時間にとどまっているMAGICの観測を増加させること。
• 通常の運用条件下で安全でないほど明るい月光下でも観測を可能とすること、特に満月および満月に近い時期の観測を可能とすること。
• 高背景光条件下におけるエネルギー閾値および感度の観点から、UV透過フィルターを用いたMAGICの性能を評価すること。
• 月の位相にかかわらず、すべての天の位置をカバーできるように、望遠鏡の運用時間を拡大すること、特に月の近くの天体を標的とすること。
• 延長された運用時間を利用して、宇宙線の月の影の欠損を観測する可能性を評価すること。

提案手法

• 420 nmでカットオフする商用UV透過フィルター（Subei ZWB3モデル）を選定し、チェレンコフ光の45%と直接月光の20%を透過させる。
• アルミリングとスチールリブを用いた軽量でモジュラーなフレームを設計・製作し、20×30 cmのフィルターパネルを確実に固定する。
• MAGICカメラの前面にフィルターを設置し、2名の作業員が約15分で手動で取り付け・外しが可能な構造とした。
• クレブネビュラの観測とモンテカルロシミュレーションを用いて、夜空背景（NSB）レベルの変動に応じたキャリブレーションと性能評価を実施。
• Li & Maの有意性基準を用い、背景領域を5つ設け、過剰事象数N_excess > 10およびN_excess > 0.05N_bgdの閾値を用いて性能を評価。
• 暗黒NSB（ベースラインの暗黒空条件）の1×から40×のNSBレベルにわたり、300 GeV以上の積分感度およびエネルギー閾値の系統的分析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV透過フィルターを用いることで、PMTが損傷する可能性がある満月の夜に、安全かつ効果的なVHEガンマ線観測が可能になるか？
• RQ2 高背景光条件下におけるUV透過フィルターの影響を受けるMAGIC望遠鏡のエネルギー閾値および感度は、どのように変化するか？
• RQ3 特に満月および満月に近い時期に、これらのフィルターを用いることでMAGICの運用時間（ドライビングタイム）はどの程度延長可能か？
• RQ4 フィルターを装着したMAGICの性能は、通常の暗黒空条件での運用と比較して、感度およびエネルギー閾値の観点でどの程度の差異を示すか？
• RQ5 高天の背景光が月の近くで顕著に増加する状況を考慮すると、延長された運用時間を利用して宇宙線の月の影を観測することは現実的か？

主な発見

• UV透過フィルターは、チェレンコフ光の45%と直接月光の20%を透過させ、PMTに到達する背景光を顕著に低減する。
• 暗黒条件でのエネルギー閾値約70 GeVが、最も明るい試験条件（40×暗黒NSB）では約215 GeVに上昇するが、背景光の増加に伴い緩やかに上昇する。
• 感度は標準的な暗黒空条件と比較して約50%低下するが、300 GeV以上で依然として約1%クレブユニット（C.U.）の感度を達成する。
• 満月時においても月の周辺5°以内での観測が可能となり、月の位相にかかわらず、天の全域をカバーする観測が可能になる。
• 満月およびその周辺の夜間にデータ収集を活用することで、MAGICの運用時間は約30%延長可能である。
• 性能は最大40×暗黒NSBまで評価されたが、特に月の近くでは天の背景光が200×暗黒NSBに達する可能性があるため、この範囲を超えた性能は不明である。