[論文レビュー] (Very) Fast astronomical photometry for meter-class telescopes

L. Zampieri, G. Naletto+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、メートル級望遠鏡を対象に、サブナノ秒時間分解能を実現する高時間分解能光度計Aqueye+およびIFI+Iqueyeを提案する。これにより、光強度干渉計測および高速光度測定が可能となり、光子到着時刻を約100 psの精度で検出できる。この精度により、初のキロメーター基線光強度干渉計測が実現され、X線連星MAXI J1820+070で268 ± 12 mHzの準周期的振動（QPO）が検出された。

ABSTRACT

Our team at the INAF-Astronomical Observatory of Padova and the University of Padova is engaged in the design, construction and operations of instruments with very high time accuracy in the optical band for applications to High Time Resolution Astrophysics and Quantum Astronomy. Two instruments were built to perform photon counting with sub-nanosecond temporal accuracy, Aqueye+ and Iqueye. Aqueye+ is regularly mounted at the 1.8m Copernicus telescope in Asiago, while Iqueye was mounted at several 4m class telescopes around the world and is now attached through the Iqueye Fiber Interface at the 1.2m Galileo telescope in Asiago. They are used to perform coordinated high time resolution optical observations and, for the first time ever, experiments of optical intensity interferometry on a baseline of a few kilometers. I will report on recent technological developments and scientific results obtained within the framework of this project.

研究の動機と目的

• メートル級望遠鏡において、サブナノ秒時間分解能を実現する非常に高速な光学光度測定を可能にする。
• UTCに同期された高安定性時計システムを用いて、約100 psの相対的精度および500 ps未満の絶対的精度で光子到着時刻をタグ付け可能な装置の開発および導入。
• 1.2 mガリレオ望遠鏡にフィバー結合されたIqueyeを用いて、共同で高時間分解能観測を実施し、初のキロメーター基線光学強度干渉計測を実現する。
• クモールプルサーの長期間安定性をモニタリングし、X線準周期的振動（QPO）を示すX線準定常源MAXI J1820+070でQPOを検出する。
• 多波長相関とモデル化を用いて、ブラックホールX線連星における低周波数X線QPOの起源を解明する。

提案手法

• 量子効率約50%、時間分解能30–50 psの単一光子アバランチダイオード（SPAD）を用いて、個々の光子を検出する。
• 望遠鏡の受光面を4つのセグメントに分割するピラーカット型光学設計を採用し、各セグメントを別個のSPADに集光することで、有効面積およびカウントレートを向上させる。
• UTCに同期された高安定性時計システムを用いて、光子到着時刻を約100 psの相対的精度および500 ps未満の絶対的精度でタイムタグする。
• 質量メモリに光子イベントリストを保存し、変動可能な時間チャンク（ナノ秒から数分）を用いた後処理を可能にし、柔軟なスペクトルおよび時間解析を実現する。
• Iqueyeのフィバーインターフェース（IFI）を用いて、1.2 mガリレオ望遠鏡にフィバー結合方式で接続し、1:2の縮小倍率とビーム分割により像像を形成する。
• 2台の離れた望遠鏡からの光子データを相互相関処理することで、基線制限の光学強度干渉計測実験を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブナノ秒時間分解能を実現する光学光度測定が、メートル級望遠鏡で可能となり、高時間分解能天文学が実現できるか？
• RQ2 フィバー結合型装置を用いて、数キロメートル基線での光学強度干渉計測が成功裏に実施可能か？
• RQ3 ブラックホールX線連星MAXI J1820+070の光学および赤外放射に、X線QPOと相関する準周期的振動（QPO）が存在するか？
• RQ4 ブラックホールX線連星における低周波数X線QPOの起源は何か？光学QPOは、円盤の前進運動かジェットの変調を示すモデルを区別する手がかりとなるか？
• RQ5 クモールプルサーの電波-光学遅延は時間経過とともに変化せず、放射領域の幾何的配置が安定しているか？

主な発見

• Aqueye+およびIFI+Iqueye装置は、約100 psの相対的精度および500 ps未満の絶対的精度でサブナノ秒光子到着時刻タグを達成し、高精度時計測が可能となった。
• 1.2 mガリレオ望遠鏡にフィバー結合されたIqueyeを用いて、数キロメートル基線での光学強度干渉計測が成功裏に実現された。
• X線準定常源MAXI J1820+070では、268 ± 12 mHzに広帯域のQPOに類似した特徴が検出され、全幅半最大幅は150 ± 39 mHz、分顔回帰変動度は1.9 ± 0.2%であった。
• 2番目の、やや有意でないQPOは151 ± 6 mHzに検出され、幅は33 ± 16 mHz、分顔回帰変動度は1.2 ± 0.3%であった。
• 1:2、2:3、または3:5の周波数比を持つ調和的関係にあるQPOを仮定したモデルが、パワースペクトルに良好に適合し、物理的結合の可能性を示唆した。
• 10年間にわたるモニタリングの結果、クモールプルサーの電波-光学遅延に顕著な変化は検出されず、放射領域の相対的幾何的配置が安定していることが示された。