[論文レビュー] Infrared instrumentation for large telescopes: an alternative approach

E. Oliva|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 1999

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、LBTおよびTNG望遠鏡向けに、広帯域J、H、K′、および1μmフィルターを用いた12′×12′（LBT）および26′×26′（TNG）の広視野をカバーする、低コストで高効率な赤外線イメージャー「WIDE」を提案する。また、0.85–2.45μmの波長域で平均透過率が80%を超える高効率で低分解能のプリズム分光器「AMICI」を導入し、1枚の露光で全スペクトルを取得可能にした。これにより、TNGでもVLTクラスの分光性能を達成でき、露出時間の7倍の効率が得られる。

ABSTRACT

I very briefly describe the latest generation near infrared (1-2.5 micron) instruments which are available on, or under development for `large' (D>=3.5 m) telescopes. Most of the imagers under construction are limited to relatively small fields, while the spectrometers aim at quite high resolving powers. The alternative instruments which I discuss here are - WIDE, a relatively low-cost instrument for the prime focus of LBT and/or of TNG optimized for deep imaging of very large fields (12'x12' on LBT and 26'x26' on TNG) through the 1 micron, J, H, K' broad-band filters. - AMICI, an ultra-high efficiency, low resolution disperser optimized for collecting complete 0.9-2.5 micron spectra of very faint objects. This device is mounted in NICS (the IR instrument for TNG) and should soon deliver spectra with quality comparable to that obtained with instruments on 8m class telescopes with similar integration times.

研究の動機と目的

• 大型望遠鏡（D ≥ 3.5 m）において、1–2.5 μm帯域の広視野近赤外イメージャーが不足している現状を是正し、赤く、明るくない天体（高赤方偏移銀河、冷却された白色矮星など）を調査から排除するバイアスを解消すること。
• LBTおよびTNG向けに、12′×12′および26′×26′の視野角を有するプライムフォーカス赤外イメージャー「WIDE」を開発し、広範囲の天の川領域における多色画像調査を可能にすること。
• 0.85–2.45 μmの波長域で平均効率が80%を超える、プリズム式の低分解能分光器「AMICI」を設計し、1枚の露光で全スペクトルを取得可能にすること。
• WIDEとAMICIの組み合わせが、口径が小さいにもかかわらず8mクラス望遠鏡と同等の調査能力と分光性能を提供できることを示すこと。特にTNGでの性能を強調すること。
• 従来の回折格子式分光器や大面積赤外イメージャーとは異なり、コストと複雑さを低減しつつ、効率と視野カバー範囲を向上させる代替手段を提供すること。

提案手法

• WIDEは、アライメントの許容範囲が緩い3レンズ光学系を採用しており、最初のレンズを特別な固定具を必要としないデュアルウィンドウとして使用可能にし、機械的複雑さとコストを低減している。
• LBT用バージョンでは、色収差が最小限に抑えられる融石ガラスレンズを採用し、12′×12′の視野全域で1ピクセル内に80%以上のエネルギーが収束する性能を達成。視野端部の歪度はわずか0.5%。
• TNG用バージョンでは、安価でより分散性の高い融石ガラス（Infrasil）を採用し、バンドごとに再焦点が必要だが、35′×35′の視野角を実現可能で、4×2048²アレイのモザイクに適している。
• AMICIは、クラウン–フラント–クラウン構成の3プリズム・アミチ・マウントを採用し、分離された要素と反射防止被膜を施すことにより、0.85–2.45 μmの波長域で平均透過率が80%を超える。分解能（RS）は約50。
• この設計により、高いスルーレートと低いスペクトル損失を実現。プリズム分散器は1枚の露光で0.9–2.5 μmの全範囲をカバー可能。一方、回折格子式システムはバンドごとに複数枚の露光が必要となる。
• 主な部品のコストはサプライヤーからの見積もりを基に算出。2048²検出器アレイが主なコスト要因であり、特にTNG用では4つのアレイを必要とするため、その影響が顕著。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型望遠鏡向けに、赤外線帯域の広視野で低コストな赤外イメージャーを設計可能か。これにより、赤く明るくない天体（例：高赤方偏移銀河、冷却白色矮星）を調査から除外するバイアスを是正できるか。
• RQ2 近赤外域において、従来の回折格子式システムに比べ、プリズム式分光器がより高い効率と広いスペクトルカバー範囲を達成可能か。
• RQ3 TNG望遠鏡にWIDEとAMICIを組み合わせることで、8mクラス望遠鏡（例：VLT）と同等の近赤外画像撮影および分光測定性能を達成できるか。
• RQ4 WIDE設計における緩い光学的許容範囲を活用することで、画像品質を損なわず、機械的複雑さとコストを低減できるか。
• RQ5 AMICIの高スルーレート（平均効率80%）が、VLTに比べて口径が小さいTNGの欠点を補い、低分解能分光測定における同等の積分時間の達成を可能にするか。

主な発見

• LBT用WIDEは、12′×12′の視野角を有し、全視野で1ピクセル（0.352″）内に80%以上の光エネルギーが収束しており、優れた像質とわずかな歪度（視野端部で0.5%）を実現。
• TNG用WIDEは26′×26′の視野角をカバーし、4×2048²アレイのモザイクに十分な広さを確保。視野端部の歪度は0.5%、コーナー部では1.0%。
• WIDE設計は、最初のレンズが0.5 mmのずれと0.1°の傾きがあっても画像品質に影響を及ぼさない。これにより、特別な固定具を必要とせずデュアルウィンドウとして機能可能。
• AMICIは0.85–2.45 μmの波長域で平均スペクトル効率が80%を超える。ピーク効率は90%以上に達し、通常の回折格子式システム（平均効率<50%）を大きく上回る。
• AMICI分光器は1枚の露光で0.9–2.5 μmの全スペクトルを取得可能で、ISAACのLRモードに比べ1.8倍の効率を発揮。TNGでは口径が小さいにもかかわらず、実質的な露出時間の7倍の効率が得られる。
• WIDE装置のコストは2048²検出器アレイが主な要因であり、TNG用では約8億2000万リラ、LBT用では約7億7000万リラの総コストが見積もられている（アレイを除く）。