[논문 리뷰] The Fibre Multi-Object Spectrograph (FMOS) for Subaru Telescope

Masahiko Kimura, Toshinori Maihara외 40명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 15.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

FMOS는 후쿠오카의 스바루 망원경을 위한 근적외선, 파이버 공급 다중객체 분광계로, 30′ 지름의 시야 내에서 최대 400개의 물체를 동시에 분광 측정할 수 있다. 이는 새로운 파이버 위치 조절기(Echidna), 광학 보정기, 그리고 두 대의 냉각된 분광계를 통해 달성되며, 시스템 효율은 10%이며, 1시간 통합에서 S/N = 5일 때 J = 20.1 등급, H = 19.8 AB 등급의 한계 등급을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스바루 망원경을 위한 광시야, 고다중성 근적외선 분광계를 개발하여 대규모 은하 조사가 가능하도록 하는 것.
• 주초점 부위의 제한된 공간을 극복하기 위해 400개 물체의 다중 관측을 가능하게 하는 새로운 파이버 위치 조절기(Echidna)를 설계하는 것.
• OH 공기글로우 억제 및 열차단 필터 통합을 통해 근적외선에서 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 배경 수준을 달성하는 것.
• 핵심 서브시스템의 공학적 관측과 천체에서의 시험을 통해 시스템 성능을 검증하는 것.
• 높은 다중성 이점을 지닌 깊고 광시야의 근적외선 분광 측정을 제공하여 우주론적 및 은하 진화 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• FMOS는 주초점에서 30′ 지름의 시야를 제공하기 위해 3성분의 근적외선 보정기(0.9–1.8 μm)를 사용한다.
• 새로운 파이버 위치 조절기인 Echidna는 피에조 액추에이터를 사용한 4분면 튜브를 통해 15분 이내에 400개의 파이버를 10 μm 이내 정밀도로 위치 조절한다.
• 시스템은 VPH 격자와 열차단 필터를 갖춘 두 대의 냉각된 적외선 분광계(IRS1 및 IRS2)를 사용하여 배경을 억제한다.
• 70m 길이의 파이버 피드가 주초점에서 분광계로 연결되어 고효율을 유지한다.
• XY 견인기 위에 장착된 초점면 영상기(FPI)를 통해 반복적인 파이버 위치 조절과 천체 영상 획득이 가능하여 시야 확보가 이루어진다.
• OH 공기글로우 억제는 약 10배의 차단 계수를 갖는 마스크를 사용하여 달성되며, 향후 향상 가능성이 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이버 공급 다중객체 분광계가 근적외선에서 30′ 시야 내 400개의 물체를 동시에 관측할 수 있는가?
• RQ2 Echidna 파이버 위치 조절기 시스템의 구현 정확도와 재구성 시간은 어느 정도인가?
• RQ3 이 분광 시스템에서 열 및 OH 공기글로우 배경은 어느 정도 억제될 수 있는가?
• RQ4 저분해능 모드에서 깊은 조사에서 얻을 수 있는 한계 등급과 신호 대 잡음비는 무엇인가?
• RQ5 시스템 효율은 이론적 기대치와 비교해 어떻게 되며, 성능을 제한하는 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 7회 반복 후 Echidna는 98%의 파이버가 목표 위치에서 10 μm 이내로 위치 조절되었으며, 재구성 시간은 15분 이내였다.
• 라스터 스캔을 통한 파이버 구성 정밀도는 0.′′15 이하였고, 자동 가이드 정밀도는 0.′′18 이하였다.
• 주초점에서 검출기까지의 시스템 스루풋은 10%였으며, 이는 기대치와 일치하지만, 실제 효율은 불일치 및 손실로 인해 7%였다.
• IRS1에서의 열배경 제거 성능은 이상적인 성능에 가까워 냉각기 및 필터의 효과적인 작동을 시사한다.
• 저분해능 모드에서 1시간 통합 시 S/N = 5일 때 J = 20.1 등급, H = 19.8 AB 등급의 한계 등급이 달성되었다.
• 1시간 통합 후 J 및 H 대역에서 신호 대 잡음비 S/N = 5일 때 1 × 10⁻¹⁶ erg cm⁻² s⁻¹의 발광선 강도를 감지할 수 있었다.