2012.2.24大同大での検討会キャラバン・サブとは何か？注：ここにある予算額・工程表・アンテナ形式等は決定されたものではありません。科学と技術の議論のためのものです。従って、本プレゼンは内外に「人員は要求しないはず」とか「金額は＊＊円以下のはず」などの言質を与えるものではありません。三好真（国立天文台・電波研究部）２００９．９．２５最速ブラックホ－ル結像装置：キャラバン-sub 「100年に一度の金融危機」「政権交代」「生活重視の民主党」に対応すべく、超低コスト、超高観測成果のサブミリ波VLBI装置を考察。目標を「SgrA*の事象の地平線検出」に特化、コストダウン。目標コスト10億円で。大師堂アンテナのサブミリ波版30m級球面鏡を2基で集光力を稼ぎ、一方、合成開口４ｍ級のキャラバン局がアンデスを行脚uvを埋める。露出時間長めの像合成。不変部分である事象の地平線を検出をめざす。下）理論的計算からのブラックホール像（福江ら）５Rs サブミリ波帯のVLBIなら、本当に見えるBH降着円盤事象の地平線を示すブラックホ－ル・シャドーその形状はブラックホ－ル・メトリックのみで決まる＝＞ミリ秒パルサー(＝弱い重力場での相対論検証）をしのぐ、強重力場における一般相対論の直接観測検証場図：http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~fukue/より。～５Rs 距離が遠いと天体小さく見える（見かけの角度）。質量が大きいと、比例してブラックホ－ル半径も大きくなる。両方の効果をかんがえると、見かけ上最も大きいブラックホールはSgrA*の５０マイクロ秒角。（最近M87の質量を２倍とする結果がある）ブラックホ－ル質量（太陽の）名距離ブラックホ－ル半径その見かけ（Schwarzschild半径）架空の BH １倍３光年 0.02 3 ｋｍマイクロ秒角 2300万 1.2×１０１1 光年 5300万 9.4×１０１3 30億倍光年黒い穴の差し渡し０．１０マイクロ秒角 NGC4258 3900万倍ｋｍ 0.11 マイクロ秒角０．５５マイクロ秒角 M87 ｋｍ 3.90 マイクロ秒角１９．５マイクロ秒角ｋｍ 10 マイクロ秒角５０マイクロ秒角（6天文単位） SgrA* 400万倍 2万４千 1.１×１０１0 光年 SgrA*の周辺円盤はおよそ太陽系（太陽ー地球軌道）の大きさ火星・地球・シャドーサイズの比較図太陽金星地球火星 http://www.astro.ru.nl/~falcke/bh/Pictures/sgrastar-size-solarsystem-small.jpg 我々の銀河中心ＳｇｒＡ＊が断然、 “見える”ブラックホ－ルの候補。（見かけの半径の大きさ、１Rs=１０マイクロ秒角）だから、これまでも重要視され、観測されてきた。で、その結果はどうだったか？ SgrA*のセンチ波からミリ波のVLBI観測が過去に行われてきた。波長が短くなると小さくなっていくが、黒い穴はまだみえない。核周プラズマによる電波散乱により、低い周波数では電波像がにじんでしまいます。にじみ方は観測波長λ＾２に比例して大きくなる。 5, 8, 15, 22, and 43 GHz でみたSgrA*の見かけの大きさ http://www.astro.ru.nl/~falcke/bh/sld10.html Deviation occurs at high frequency. Doelman et al.（2001） Apparent Size of SgrA* Free from Scattering Effects by Plasma （∝λ＾２） At sub-mm wave length ! So we can expect observe the intrinsic image at mm-, submm wave length. サブミリ波がブラックホールの見えるチャンネル。（散乱しなくなるから） M1 既存のサブミリ波望遠鏡を寄せ集め、230GHzのVLBI で、フリンジは検出。（Doeleman等’08）スライド 10 M1 MiyoshiMakoto, 2009/08/25 ブラックホ－ル解像は230/340GHzで地上の高地で始める・ブラックホ－ル複数を本格的にみるには（散乱から自由な）テラヘルツ。・大気はテラヘルツ電波を通さない。・だからスペース。（＝X線天文学がスペースなのと同じ理由）ペルーワンカヨワンカヨ３２ｍ 1000km 3300m ボリビア・ラパス近郊5300m 世界最高所のスキー場、宇宙線研究所センチ波（通信アンテナ）チャカルタヤ ALMA Mirabel候補地ラ・シラ 2400m 旧SEST15m鏡 4600m 「最速（早期）・最安値システム」 SgrA*観測だけが目標 • 2m級鏡面*4～6=phase-upでVLBI移動局： uv（基線ベクトル）を埋める。 • 大きな球面鏡で集光力（感度）を稼ぐ。＝＞スローシャッターでの電波像をつくる。時間変化しないはずのブラックホ－ルシャドーは見える（要検討）。測地VLBIでは可搬型電波望遠鏡の利用実績あり！小型サブミリ波アンテナの先例：小川アンテナ、から。制作例。鏡面精度 35ミクロンさらなるコストダウンを春日氏＋ NAOJで今後検討。アレシボ300m固定鏡（プエリトリコ）単一鏡としては最大口径大師堂さんの早稲田・那須30m鏡：球面鏡（副鏡面で補正して集光。天体追尾3時間程度可。主鏡面は固定。自重変形を考えなくてもいい。どこも同じRの鏡面：コスト削減可）ウン千万円で10GHzまで。 http://www.astro.phys.waseda.ac.jp/index.html 那須20m鏡群球面鏡放物面鏡非球面の副鏡で光路長を補正、焦点を結ばせる。ホーンを軸上に置いた場合ホーンをオフセットさせた設計主鏡固定のまま、副鏡移動で、ビーム方向を可変。光学系一定のまま別視野を観測可能。日周運動追尾もＯＫ。受信ホーンも移動。 MITが作った早稲田望遠鏡 http://www.m-i-t.jp/index.html 建設業登録埼玉県知事許可般-21 第55146号平成２２年１月２１日建築一式工事業・鋼構造物工事業・建具工事業・内装仕上工事業２級施工管理技士４名建築物環境衛生管理技士１名１級建設業経理事務士１名 --「事象の地平線」＝黒い穴、を検出できる!?。ペルーワンカヨワンカヨ３２ｍ 1000km 3300m ボリビア・ラパス近郊5300m 世界最高所のスキー場、宇宙線研究所センチ波（通信アンテナ）チャカルタヤ ALMA Mirabel候補地ラ・シラ 2400m 旧SEST15m鏡 4600m 装置の基本コンセプト（方向性）はこれでナントカ。詳細設計に向かって、できるところから検討をやってゆく。１）最適な光学系（特に球面鏡の）の検討（NICT) ２）アンテナ鏡面を安くする工夫（三鷹技術センタ施設利用）３）高速AD記録器、“ADS3000+”の高精度化（NICT) ４）小型複合鏡の検討（法政大）５）敵（＝観測対象SgrA*）を知る。降着円盤理論&simulationから確度の高いBH像の絞り込み円盤振動、相対論的輸達計算（Takahashi＋Kato）など（visibilityに対する像モデルフィット解析も依然重要）海外協力：６）ASIAAとの連携（井上氏による招待。トークと飲み会、まずuv- simulation, SEST調査から）７）ペルー電波天文プロジェクト：イシツカ氏との提携。８）上海天文台: Z. Shenらとの協力。 Chacalyata Cosmic ray Observatory（標高5300m , La Pas, Bolivia）訪問(09年11月) ・アンテナ設置、歓迎。（協力：IGPイシツカ氏） 90年物PC98VXが現役 Observatorio de Huancayo, IGP Latitud: Longitud: Altitud: -12.037875 N -1.80 N 284.681633 E -3.46 E こちらも日本とのつながりの深い観測所。 3336.0 m.s.n.m. イシツカ氏の故郷地球“磁場の赤道”直下 32-m telecommunication antenna -- Not for sub-mm observation -- 「絞り」によるアンテナ試作。北嶋絞製作所（東京羽田・09年11月）鏡面精度測定、研磨・鏡面修正、100ミクロン目標だった技術センタ－三ツ井さん春日式複合鏡 4万円の絞りアンテナで、既に 62ミクロンr. m. s.を達成（鏡面単体）「サブミリVLBIのための鏡面パネルコストダウン研究」開始。（春日PI：国立天文台・先端技術センタ－利用）・実は金型が違う----金型自体の面精度か？型を精密に作ればそれだけで良い鏡面が作れる？・板の厚さで製作精度が変わる？薄いと軽くなって一挙両得 2月7日、1.8mアンテナ試作（目的：面精度の再現性を確認する） 2月26日、京都のクリスタル光学で面精度測定の予定昨年、90cm鏡で60ミクロンrms達成サイトサーベイ関連年度注：ペルー・ボリビアアンデス高地はチリアタカマとは違い、文明がある。電気・道路等のいんふらが存在。ただし大気環境はアタカマに劣ると思われるので、その調査は必要。 2009年ペルー・ボリビア・チリ度高地調査 2010年度小型移動局大型局（固定球面鏡）注：小型移動局は、UVカバーを自在にサンプルできる。通常の観測局にないメリット。サブミリ波VLBIでは大変有用。注：ALMAのphase－up 注：予算潤沢ならM社は容易ではない。なぜに15mクラスを発注すなら合成ビームが細すれば済む話。でも１基ぎ、天体追尾が難しい。十数億円。固定球面鏡自前で１～２千km基線はコストダウンのためを張る大型局を作る必の方策要はおそらくあり。法政大春日による絞りアンテナ作成・測定開始 90cm鏡、面精度 100ミクロン確認済み 90cm鏡、面精度 60ミクロン確認済み SgrA*特化型のキュラバン・サブの構想（天文学会、月報等）キャラバン・サブ、BH2010にて、 Fabianの絶賛を受ける 2011年 2 度赤外線水蒸気メータによる測定 2012年 7(ペルー/ボ度リビア・チリ）１００万円規模 (予定）静止衛星電波利用の大気位相モニターの製作/測定 (５千万円規模） 2013年 (予定） 230GHz帯ラジオメータの製作/ 測定(１千万円規模）科研費 (三好）による2m鏡の作成と SCOP 面測定 E(春日）による高精度2m 90cmを用鏡の大量いた 43GHz超生産小型VLBI 研究局の実験 (2千 (NICT,22 万円 GHzの成規模）功例あり）関連する動き国内における移動局システムの周波試作数標開発、準原実験。子時 (２億計数千（水万円素規メー模）ザ）の提供(ペ早稲田那須観測所大型球面鏡の調査キャラバン・サブ、中規模計画への推薦・支持固定球面鏡、レイトレースによるラフなデザイン MITヘイスタック先導のEHT計画（20 年前のミリ波グローバルVLBIの高周波化） GRASPによる詳細光学計算（開口効率・ビーム形）機械設計（全体・駆動部）駆動系の精度実験 100ミクロン確認済み 90cm鏡、面精度 60ミクロン確認済み 2010年度 2011年 2 度赤外線水蒸気メータによる測定 2012年 7(ペルー/ボ度リビア・チリ）１００万円規模 (予定）静止衛星電波利用の大気位相モニターの製作/測定 (５千万円規模） 2013年度 2014年度 2015年度 2016年度 (予定） 230GHz帯ラジオメータの製作/ 測定(１千万円規模）科研費 (三好）による2m鏡の作成と SCOP 面測定 E(春日）による高精度2m 90cmを用鏡の大量いた 43GHz超生産小型VLBI 研究局の実験 (2千 (NICT,22 万円 GHzの成規模）功例あり）国内における移動局システムの周波試作数標開発、準原実験。子時 (２億計数千（水万円素規メー模）ザ）の提供(ペルー、各移動地）局の資金整備、次第渡米、既存局観測に参加。短基線の威力を実証。 Fabianの絶賛を受ける早稲田那須観測所大型球面鏡の調査キャラバン・サブ、中規模計画への推薦・支持固定球面鏡、レイトレースによるラフなデザイン MITヘイスタック先導のEHT計画（20 年前のミリ波グローバルVLBIの高周波化） GRASPによる詳細光学計算（開口効率・ビーム形）機械設計（全体・駆動部）駆動系の精度実験大型局に向けての国内組み立て実験現地、設置アインシュタインの一般相対性理論発表から100年目（間に合わない？）円規模 (予定）静止衛星電波利用の大気位相モニターの製作/測定 (５千万円規模） (予定） 230GHz帯ラジオメータの製作/ 測定(１千万円規模） 2013年度 2014年度 2015年度 2016年度サイトサーベイの主な課題 90cmを用いた 43GHz超小型VLBI 局の実験 (NICT,22 GHzの成功例あり）高精度2m 鏡の大量生産研究 (2千万円規模）移動局システムの周波試作数標開発、準原実験。子時 (２億計数千（水万円素規メー模）ザ）の提供(ペルー、各移動地）局の資金整備、次第渡米、既存局観測に参加。短基線の威力を実証。小型移動局の主な課題１：電源。基本は外部依存。常時水素メーザ等を維持するための自家発は必要 2:移動観測地点の具体的選抜 2:受信機、メーザ等精密機器（インフラとの兼ね合い）のための移動時防振対策 3;UVカバーの予めの計算、フ 3：観測地での観測装置セットリンジ強度予測アップの簡易化 4:大型局設置予定地のインフ 4:基本トレーラ輸送だが、そのラ確認詳細設計 5:観測運用時の必要人員、費用見積もり 1:230GHz帯観測受信は本当に可能か（温暖化の影響） GRASPによる詳細光学計算（開口効率・ビーム形）機械設計（全体・駆動部）駆動系の精度実験大型局に向けての国内組み立て実験現地、設置アインシュタインの一般相対性理論発表から100年目（間に合わない？）大型球面鏡の主な課題その他の検討課題１：副鏡受信部の駆動システムの検討１：記録系（ADS3000ベースだが）の整備調達２：パネル面調整機構の検討３：太陽光等熱歪み対策４：鏡面パネル廉価大量製作法５．建築物としての強度計算２：相関器（ソフト相関）のつめ。球面鏡 • Az-EL式望遠鏡にくらべて観測方向の制限が多いのは事実。 • 見事な動きを見せる部分がない。 • みるからに“ださい構造“。 • レイトレースだけでも設計はできる。（効率等の評価は不十分）。大型球面鏡 (2011.12.11メモ) １）鏡面パネル：球面なので曲率一定のパネル。放物面にくらべ、大量生産で廉価にできる。２）自重変形：地面固定なので高度角変更に関する自重変形の変動はない。３）熱変形：主に日射による熱膨張で起きる。日射を遮断する方法があれば良い。４）副鏡移動機構：経緯台式では高度角・方位角の駆動系が必要だが、固定球面鏡では、副鏡の移動機構だけでよい。但し、中空にあること、精密な駆動を可能にする必要がある。５)光学系の設計：球面鏡は自由度が大きい。既成のよい設計があるわけでもない。焦点位置をどこにでも持ってくることができる。但し、開口効率等をよくするよいパラメータはあまり研究されておらず、工夫の余地あり。（＊）６）パネルの設置法：正しく球面上に並べ。並んでいることを確認する方法。７）副鏡とともの受信機位置も駆動する。その位置だし、駆動精度の確保。いっそ、副鏡と受信機を一体化するか？しかし重量が大きくなるので、堅牢な構造が必要となる。逆に軽くする工夫が必要か？８）突風等で飛ばされない工夫９）パネル製作：いっそ絞りで大量生産。丸いパネルを敷いてゆく？隙間から地> > 面の３００K放射が来ないように遮蔽する工夫が要る。大量生産に向けての自動絞り装置の開発？１０）バックストラクチャーの工夫：パネルを固定する台。パネルの向きの微調整機構が必要。一旦正しく固定したパネルは、正しく固定したまま保持されねばならない。１１）パネルの耐用期間は、短めで。安く作り、どんどん交換してゆく、という> > 考え方が実際的か？１２）避雷針１３）カラスよけ (新沼さん）  基本的には列挙されているものでいいと思います。  高い周波数の場合、ピカピカのでかい皿が動かせないので、 3)に書かれている通り、日射は危険ですね。経験としては、4)と10)は重要かと思います。低周波（1.4GHｚ）でも指向性の調整に苦労しているので、色々とフォローできる機構を念入りに検討しておく必要があるかと思います。また、副鏡の駆動機構によって、副鏡の形状をニューメリカルに作らないといけないので（那須の20mの場合）、高周波の場合小さいとはいえそれなりのコストがかかる可能性。避雷針で思い出しました。  那須の場合、避雷針の他、あまりに雷が多く、受信機だけでなく、電話やインターネット回線も壊れるため、各アンテナの電源系に防雷器を設置しています。（また、アンプにサージ対策にツェナーダイオードを自分たちで取り付けました）それでもちょくちょく被害を受けますが。。。  （＊）誰が光学パラメータサーチするか？R高橋氏の小樽高専学生とかは？と勝手に見込んだり。修論・D論としては良い線なテーマでないか。球面鏡の技術的課題早稲田20m30m鏡キャラバン/サブ用球面鏡30m級観測周波数（波長）１．４GHz（21cm）２３０GHｚ（1.3mm) サイト那須高原（平地）自由学園の土地ワンカヨ（地方都市3300m）チャカルタヤ（5300m山頂）既に観測施設（インフラ）有り製作鉄骨とブリキ MIT（建築業者）鉄骨とアルミパネル（やっぱり建築業者？）副鏡・受信ホーンの駆動機構チェーン＋ギヤ駆動精密駆動が必要鏡面調整パネル設置だけで OK パネルの位置精密調整が必要光学系の設計レイトレーシングで OK 電波光学としての計算が必要。日照等によるパネル変形観測波長に対して無パネルの日照等による熱変形を視できる。避ける工夫が必要。キャラバン局の技術的課題(1) NiCTでの測地用移動VLBI局キャラバン/サブ用移動局観測周波数（波長） 2&8GHz（15,3.6cm）２３０GHｚ（1.3mm) サイト日本アンデス高地（インフラは有り）移動頻度高くない。移動は2週間～1ヶ月に1度局設定場所複数の特定の場所 “電源確保“は必要→特定の場所（どこでも観測できるのが良いが。）口径口径2m程度1枚鏡 4m程度は必要。複合鏡か。道路幅からみて各鏡は2m程度まで周波数標準(原子時計）観測急がないので、観測地で立ち上げ。活かしたまま（要維持電源）か？電源on-offできる新装置があると便利光学系の設計レイトレーシングでOK 複合鏡の光学設計必要日照等によるパネル変形観測波長に対して無視できる。パネルの日照等による熱変形を避ける工夫が必要。必要電力・装置の重量推定必要移動のために工夫。設置を容易にする工夫。