[論文レビュー] Mid-infrared interferometry with K band fringe-tracking I. The VLTI MIDI+FSU experiment

A. Müller, Jörg‐Uwe Pott+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本論文はVLTIにおけるMIDI+FSU-A観測モードを提示する。Kバンドの縞縞トラッカー（FSU-A）が、大気のピストン変動をリアルタイムで補正することで、Nバンド干渉計測定を安定化する。KバンドデータからNバンドの群速度遅延および位相遅延を1µm未塔の精度で予測することで、MIDIの相関フラックス検出限界をATを用いる場合0.5 Jy、UTを用いる場合0.05 Jyまで低下させ、微弱または分解能の高いNバンド源に対するコherentな積分を可能にする。

ABSTRACT

Context: A turbulent atmosphere causes atmospheric piston variations leading to rapid changes in the optical path difference of an interferometer, which causes correlated flux losses. This leads to decreased sensitivity and accuracy in the correlated flux measurement. Aims: To stabilize the N band interferometric signal in MIDI (MID-infrared Interferometric instrument), we use an external fringe tracker working in K band, the so-called FSU-A (fringe sensor unit) of the PRIMA (Phase-Referenced Imaging and Micro-arcsecond Astrometry) facility at VLTI. We present measurements obtained using the newly commissioned and publicly offered MIDI+FSU-A mode. A first characterization of the fringe-tracking performance and resulting gains in the N band are presented. In addition, we demonstrate the possibility of using the FSU-A to measure visibilities in the K band. Methods: We analyzed FSU-A fringe track data of 43 individual observations covering different baselines and object K band magnitudes with respect to the fringe-tracking performance. The N band group delay and phase delay values could be predicted by computing the relative change in the differential water vapor column density from FSU-A data. Visibility measurements in the K band were carried out using a scanning mode of the FSU-A. Results: Using the FSU-A K band group delay and phase delay measurements, we were able to predict the corresponding N band values with high accuracy with residuals of less than 1 micrometer. This allows the coherent integration of the MIDI fringes of faint or resolved N band targets, respectively. With that method we could decrease the detection limit of correlated fluxes of MIDI down to 0.5 Jy (vs. 5 Jy without FSU-A) and 0.05 Jy (vs. 0.2 Jy without FSU-A) using the ATs and UTs, respectively. The K band visibilities could be measured with a precision down to ~2%.

研究の動機と目的

• 主な目的は、大気の乱流を低減するために外部のKバンド縞縞トラッカーを用いてNバンド干渉計測定を安定化させることである。
• 本研究の目的は、微弱または分解能の高い標的に対して縞縞をコherentに積分可能にすることで、MIDI観測における相関フラックス検出限界を低減することである。
• 本研究は、FSU-Aのスキャンモードを用いてKバンド可視度を測定する可能性を実証することを目的としている。
• 本研究は、KバンドデータからNバンド遅延変動を予測するためのFSU-Aの性能を評価することを目的としている。
• 本研究は、中赤外干渉計測定の感度とデータ品質を向上させる新しい公開観測モードを提供することを目的としている。

提案手法

• FSU-AはKバンド（2.0–2.5 µm）で動作し、ABCD原理に基づく4ビーム干渉計測定方式を用いて、リアルタイムで縞縞位相、群速度遅延、可視度を測定する。
• 大気のピストン変動は、OPDCを介してVLTIの遅延ラインにリアルタイムでOPD補正を送ることで補正され、MIDIのビームコンビナーが安定化する。
• Nバンドの群速度遅延および位相遅延は、相対的な水蒸気柱密度の変化を計算することで、Kバンドデータから予測される。
• Kバンド可視度は、FSU-Aのスキャンモードを用いて測定され、伝達関数はOPDおよび波数応答のウェーブレット解析から導出される。
• 伝達関数の信頼区間に対して多項式フィッティングを適用し、高精度な校正済み可視度を計算する。
• 性能は、予測されたNバンド遅延と独立に測定されたMIDI値との比較、および可視度データへの二重星モデルのフィッティングによって検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSU-AによるKバンド縞縞トラッキングは、MIDIの縞縞をコherentに積分可能にするために、Nバンドの群速度遅延および位相遅延を1µm未塔の精度で正確に予測できるか？
• RQ2 FSU-Aを用いて大気を安定化させた場合、MIDIにおける相関フラックスの検出限界はどの程度達成可能か？
• RQ3 FSU-Aスキャンモードは、位置測定および二重星研究に十分な精度でKバンド可視度測定を信頼できるものとして提供できるか？
• RQ4 AMBERなどの既存機器と比較して、FSU-Aの可視度測定精度はどの程度か？
• RQ5 FSU-Aは、長基線で微弱または分解能の高いNバンド標的の観測をどの程度可能にするか？

主な発見

• FSU-Aは、独立に測定されたMIDI値と比較して、Nバンドの群速度遅延および位相遅延を1 µm未塔の残差で予測し、高い正確性を示した。
• ATを用いた場合、MIDIにおける相関フラックスの検出限界は0.5 Jyまで低下し、UTを用いた場合0.05 Jyまで低下し、感度が顕著に向上した。
• Kバンド可視度測定は約2%の精度に達し、二重星の信頼性の高い位置測定が可能になった。
• FSU-Aスキャンモードは、二重星（HD 155826および24 Psc）の可視度を成功裏に測定し、発表済み軌道と整合する新たな位置測定点を提供した。
• この手法により、微弱または分解能の高いNバンド標的に対する縞縞のコherentな積分が可能となり、長基線におけるMIDIの科学的範囲が拡張された。
• MIDI+FSU-Aモードは、KバンドおよびNバンドの可視度データを同時に提供し、MATISSEなどの将来の機器にとって貴重なデータセットを提供する。