京都産業大学神山天文台における LIPSの改修と性能評価結果 2013/03/18 研究会 「光赤外偏光天文学の軌跡と今後」 京都産業大学 新崎貴之 1.Introduction ■ LIPSとは LIPSとは 進化の過渡期にある恒星の星周媒質の密度分布及び速度場情報を 高分散偏光分光というユニークな手法 高分散偏光分光というユニークな手法を用いて解明する事を目的と というユニークな手法を用いて解明する事を目的と して開発された観測装置(Ikeda+ して開発された観測装置(Ikeda+ 2004) LIPS仕様 LIPS仕様 観測波長域 波長分解能 偏光測定精度 400-850nm (Δλ～ (Δλ～200nmを同時取得 200nmを同時取得) を同時取得) R～7,000-10,000 ΔP < 0.1% 1999年：東北大チームが 1999年：東北大チームがLIPS 年：東北大チームがLIPS開発をスタート LIPS開発をスタート 2002年：ハワイ大学 2002年：ハワイ大学88 年：ハワイ大学88インチ望遠鏡に搭載 88インチ望遠鏡に搭載 観測運用開始 UH88を主力望遠鏡として科学的成果を提供 - 共生星Hα線wingの起源 (Ikeda+ 2004) - T Tau型星の禁制線偏光の初検出 (Akitaya+ 2009) など 2010年： 2010年：12 年：12月、ハワイから京都産業大学へ移設 12月、ハワイから京都産業大学へ移設 UH88 with LIPS 1.Introduction ■ 神山天文台での観測運用に向けて LIPS原型の状態では神山天文台 LIPS原型の状態では神山天文台1.3m 原型の状態では神山天文台1.3m望遠鏡に搭載できない 1.3m望遠鏡に搭載できない 望遠鏡略図 2080mm 800mm 焦点位置に合わせて LIPSを装着させる を装着させる ナスミス支柱 望遠鏡フランジ面 カセグレン焦点位置 光学系の変更に伴う機械系の改修が必要 機械的干渉が発生 観測効率向上を目指した改修を目指す (内部光学系のミラー除去及び新カメラレンズの製作などを行う) 1.Introduction ■ 神山天文台での観測運用に向けて 1. 分光光学系の再設計/製作 分光光学系の再設計 製作、及 製作、及びこれに伴う機械系の改修 、及びこれに伴う機械系の改修 - LIPS仕様に特価した新カメラレンズの設計 仕様に特価した新カメラレンズの設計/製作 仕様に特価した新カメラレンズの設計 製作 観測効率の向上を目指した光学系の改良 - LIPS筐体部、及び望遠鏡側インターフェイス部の設計 筐体部、及び望遠鏡側インターフェイス部の設計/製作 筐体部、及び望遠鏡側インターフェイス部の設計 製作 光学系改良 撤去 望遠鏡とLIPS筐体との機械的干渉を解消 筐体との機械的干渉を解消 望遠鏡と 2. 望遠鏡トラッキング補正用のガイドカメラの導入 - サイエンスパスを遮らない光軸を外したカメラシステムの設計/製作 サイエンスパスを遮らない光軸を外したカメラシステムの設計 製作 3. 新スリットビュアの製作 - ビデオCMOSを積分時間が調整可能なCCDに交換 (好感度化及びNDフィルター機構の除去を可能に) 観測天体光 ガイドカメラ光学系 F変換レンズ 変換レンズ CCDカメラ カメラ LIPSメイン光学系へ入射 メイン光学系へ入射 1.Introduction ■ 神山天文台での観測運用に向けて 4. メイン検出器の交換 - 旧 旧LIPSに搭載していた検出器が動作不調であり、安定し LIPSに搭載していた検出器が動作不調であり、安定し た観測が難しかったため。現在は Spectral Instruments社 Instruments社 850series Cooled CCD Camera(2K×2K 1pix=13.5μ 1pix=13.5μｍ 1pix=13.5μｍ)を使用中 5. 新駆動システムの導入 - 経年劣化による駆動系の動作不具合を解消するため - 駆動システムの統合化 2. 観測運用に向けた改修 2. 観測運用に向けた改修 ■ 分光光学系の再設計/ 分光光学系の再設計/製作 入射スリット 現LIPS Cross disperser 光路図( 光路図(改修後) 改修後) 入射光 Collimator lens Collimator lens Cross disperser Collimator lens New 回折光 New Came r a le n s ns 鏡除去 r a le Cam e 入射スリット 旧LIPS Echelle grationg Mirror Cross disperser Echelle grationg Camera lens Echelle grationg New Camera lens 設計解 レンズ材の選択 ： アポクロマート条件を満たす組み合わせを選択 収差補正 ： 光線追跡ソフトウェア(CodeV)を用いたベンディングによる を用いたベンディングによる 収差補正 ： 光線追跡ソフトウェア S-FPL53 瞳 S-LAL61 焦点面 瞳径 =38.1mm S-FPL53 370mm S-LAL61 S-TIM8 検出器窓板 光学系諸言 波長域 瞳径 瞳位置 焦点距離 F値 値 最大光線有効径 400-850nm 38.1mm 370mm 300mm F/3.7 80mm 2. 観測運用に向けた改修 ■ 分光光学系の再設計/ 分光光学系の再設計/製作 現LIPS Cross disperser 光路図( 光路図(改修後) 改修後) 入射光 Collimator lens Collimator lens 鏡除去 Cam e r a le ns Δf New Collimator lens New Came r a le n s Cross disperser 回折光 入射スリット 旧LIPS 入射スリット 単レンズ Cross disperser Mirror λ Echelle grationg アポクロマート Camera lens アクロマート Echelle grationg Echelle grationg Δf 色消し条件：Δ 色消し条件：Δf→0 New Camera lens 設計解 レンズ材の選択 ： アポクロマート条件を満たす組み合わせを選択 収差補正 ： 光線追跡ソフトウェア(CodeV)を用いたベンディングによる を用いたベンディングによる 収差補正 ： 光線追跡ソフトウェア S-FPL53 瞳 S-LAL61 焦点面 瞳径 =38.1mm S-FPL53 370mm S-LAL61 S-TIM8 検出器窓板 光学系諸言 波長域 瞳径 瞳位置 焦点距離 F値 値 最大光線有効径 400-850nm 38.1mm 370mm 300mm F/3.7 80mm 2. 観測運用に向けた改修 ■ 新分光光学系の結像性能 Echelle Format 焦点面でのスポットダイアグラム m 838.46nm 838.4nm 820.62nm 820.6nm m = 23 802.78nm 802.7nm 長波長用Cross 長波長用Cross disperser : 600g/mm による撮影範囲 600g/mm による撮影範囲 m 686.12nm 674.08nm 546.97nm 546.9nm 539.26nm 539.2nm 686.1nm 674.0nm 662.04nm 662.0nm m 531.56nm 531.5nm m = 35 m (mm) 531.57nm 531.5nm 524.28nm 524.2nm 517.01nm 517.0nm 454.74nm 454.7nm 449.39nm 449.3nm 444.04nm 短波長用Cross 短波長用Cross disperser : 300g/mm による撮影範囲 300g/mm による撮影範囲 波長方向 m m = 36 444.0nm m 397.31nm 397.3nm 393.21nm 393.2nm 389.12nm 389.1nm □ = 27μm : 2pix×2pix size 右数値: 右数値: スポットのRMS スポットのRMS直径 RMS直径 赤：常光線 青：異常光線 m = 48 2. 観測運用に向けた改修 ■ 望遠鏡トラッキング補正のためのガイドカメラシステムの開発 2. 観測運用に向けた改修 ■ 新駆動システムの導入 LIPSの観測モードに対応する装置内の駆動系は5箇所であるため、５軸制御を行う事が 可能(最大6軸制御可能)な駿河精機製のステッピングモーターとコントローラーを導入した。 ① ② ③ ④ ⑥ ⑤ ① GT GT、 、HCTミラー切り替えターレット HCTミラー切り替えターレット 直動ステージ ミラー切り替えターレット 直動ステージ ② HWP回転機構 回転機構 回転ステージ 回転ステージ HWP回転機構 ③ スリットステージ 新品に変更 スリットステージ 新品に変更 ④ SVミラー出入機構 SVミラー出入機構 直動ステージ 直動ステージ シグマ光機製品 駿河精機製回転ステージ ⑤ シグマ光機製品 駿河精機製回転ステージ ⑥ NDフィルター機構 NDフィルター機構 撤去 フィルター機構 撤去(CCD 撤去(CCDカメラ設置のため (CCDカメラ設置のため) カメラ設置のため) 2. 観測運用に向けた改修 ■ 駆動系コントローラーと操作PC-WINDOW 駆動系コントローラーと操作PC-WINDOW 3. 試験観測による性能評価 3. 性能評価 ■ 試験観測によるLIPS 試験観測によるLIPS性能評価 LIPS性能評価 2012年 2012年11月～ 11月～2013 月～2013年 2013年1月の期間中に計10 月の期間中に計10夜 10夜LIPSの性能評価観測を実施 LIPSの性能評価観測を実施 観測天体 RA Dec 実視等級 スペクトルタイプ 標準星種類 観測回数 β Cas 06h 37m 42s.7 +16°23' 57” 1.93 A0 IV UP , GT 13 . 6 β UMa 11h 01m 50s.4 +56°22' 56” 2.37 A1 V UP , GT 2,0 Χ Ori 05h 54m 22s.9 +20°16' 34” 4.40 G0 V UP , GT 7,1 α Ori 07h 39m 18s.1 +05°13' 30” 0.37 F5 IV UP , GT 12 , 3 9 Gem 06h 16m 58s.7 +23°44' 27” 6.25 B3 Ia SP 8 Φ Cas 01h 20m 04s.8 +58°13' 54” 4.99 F0 Ia SP 2 2H Cam 03h 29m 04s.1 +59°56' 25” 4.21 B9 Ia SP 2 BS6365 17h 05m 32s.1 -00°53' 32” 5.62 B1 V SP 1 HD93521 10h 48m 23s.5 +37°34' 13” 7.04 O9 Vp 測光標準星 3 HR4963 13h 09m 56s.9 -05°32' 20s.5 4.38 A1 IV 測光標準星 2 HR3454 08h 43m 13s.5 +03°23' 55s.1 4.30 B3 V 測光標準星 2 性能評価項目 1.波長分解能の評価 1.波長分解能の評価 2.装置効率及び限界等級の見積もり 2.装置効率及び限界等級の見積もり 3.偏光測定精度の評価 3.偏光測定精度の評価 3. 性能評価 ■ 波長分解能 波長較正用ランプを用いた波長分解能測定値と設計値の比較結果 measured design 波長分解能 Rc Slit = 94µｍ ｍ Rc = 7972.3 Wavelength (Å) 偏光解析部 ○ 波長分解能設計値の導出式 f : 分光光学系焦点距離 f1 : フィールドレンズ焦点距離 f2 : 再結像レンズ焦点距離 α : エシェル回折格子への入射角度 β ： エシェル回折格子による分散角 s ： スリットサイズ s s' LIPSは再結像光学系を採用しており スリット像(s)は偏光解析部直後に再び像を結ぶ(s') s' = s(f2/f1) 3. 性能評価 ■ 波長分解能 波長較正用ランプを用いた波長分解能測定値と設計値の比較結果 measured design 波長分解能 目標波長分解能を達成 Rc Slit = 94µｍ ｍ Rc = 7972.3 Wavelength (Å) 偏光解析部 ○ 波長分解能設計値の導出式 f : 分光光学系焦点距離 f1 : フィールドレンズ焦点距離 f2 : 再結像レンズ焦点距離 α : エシェル回折格子への入射角度 β ： エシェル回折格子による分散角 s ： スリットサイズ s s' LIPSは再結像光学系を採用しており スリット像(s)は偏光解析部直後に再び像を結ぶ(s') s' = s(f2/f1) 3. 性能評価 ■ 装置効率及び限界等級の見積もり 測光標準星の観測を行い装置効率( 測光標準星の観測を行い装置効率(スループット) スループット)を評価 32 31 30 効率＞20% 効率＞20% ・ 観測天体 : HD93521( O9Vp ) ・ 積分時間 = 180s ・ Zenith distance = 10deg 29 33 28 観測効率 27 34 26 LIPS装置効率のみ LIPS装置効率のみ slit効率を含む装置効率 効率を含む装置効率 大気＆望遠鏡＆slit効率込 大気＆望遠鏡＆ 効率込 25 (%) 24 Wavelength (Å) ○ 神山天文台1.3m 神山天文台1.3m望遠鏡 1.3m望遠鏡+LIPS 望遠鏡+LIPSの限界等級 +LIPSの限界等級( の限界等級(積分時間4h) 積分時間4h) ・ ΔP<0.1% ΔP<0.1%の場合： の場合： m=7.2mag (m= 8.0mag スリット効率=100% スリット効率=100%) ・ ΔP<0.3%の場合： ΔP<0.3%の場合： m=9.6mag (m=10.2mag スリット効率=100%) スリット効率=100%) ・ ・ ・ ・ 大気透過率 = 80% 望遠鏡反射率 = 67.2% 副鏡遮蔽=89.5% 副鏡遮蔽=89.5% スリット効率 = 50% (seeing size = 4”) 3. 性能評価 ■ 偏光測定の安定性の評価 無偏光標準星のべ24 無偏光標準星のべ24天体を観測 24天体を観測 2012/11/27 γ Gem , β Uma , Χ Ori 2013/01/12 γ Gem , Χ Ori , α CMi 2012/11/28 γ Gem , β Uma , Χ Ori 2012/01/18 γ Gem , α CMi 2012/11/29 γ Gem , β Uma , Χ Ori , α CMi 2013/01/28 γ Gem 2012/12/14 γ Gem , β Uma , Χ Ori , α CMi 2013/01/30 γ Gem , α CMi 2013/01/11 α , CMi 2013/01/31 γ Gem 無偏光標準星のスペクトル例 (I , Q/I , U/I ) Wavelength (Å) 3. 性能評価 ■ 偏光測定の安定性の評価 各オーダー毎の <q'> , <u'> のヒストグラム The histgram of q' (Q/I) Gauss function q' (Q/I) σQ/I=0.019% The histgram of u' (U/I) Day by day variation of q ,' u' Gauss function u' (U/I) σU/I=0.017% ±0.06% q' (Q/I) u' (U/I) 偏光測定精度評価結果 ： ∆Pup < 0.019% 仕様値である∆P < 0.1%を満たす を満たす 仕様値である 参考までに... 旧LIPSにおける偏光測定精度は、 σQ/I=0.042% , σU/I=0.041% (参照論文：Ikeda 2004+) 3. 性能評価 ■ 偏光測定の安定性の評価 ○ 偏光測定精度評価結果 波長別( 波長別(次数別) 次数別)の評価結果でも安定した偏光度測定結果が得られている 3. 性能評価 ■ 輝線、吸収線における偏光測定精度の評価 UP評価用として観測できた無偏光標準星はのべ UP評価用として観測できた無偏光標準星はのべ24 評価用として観測できた無偏光標準星はのべ24天体 24天体 2012/11/27 γ Gem , β Uma , Χ Ori 2013/01/12 γ Gem , Χ Ori , α CMi 2012/11/28 γ Gem , β Uma , Χ Ori 2012/01/18 γ Gem , α CMi 2012/11/29 γ Gem , β Uma , Χ Ori , α CMi 2013/01/28 γ Gem 2012/12/14 γ Gem , β Uma , Χ Ori , α CMi 2013/01/30 γ Gem , α CMi 2013/01/11 α , CMi 2013/01/31 γ Gem 無偏光標準星のスペクトル例 (I , Q/I , U/I ) Hα付近を拡大 Wavelength (Å) 3. 性能評価 ■ 輝線、吸収線における偏光測定精度の評価 UP評価用として観測できた無偏光標準星はのべ UP評価用として観測できた無偏光標準星はのべ24 評価用として観測できた無偏光標準星はのべ24天体 24天体 3. 性能評価 ■ 偏光度に依存した偏光測定精度の評価 SPの観測偏光スペクトルを過去の文献値と比較 SPの観測偏光スペクトルを過去の文献値と比較 偏光スペクトルは文献値記載のPmax 偏光スペクトルは文献値記載のPmaxと Pmaxとλmaxを用いて λmaxを用いて Serkowski Serkowski curve によって再現 SP： SP：HD21291 *文献値参照資料： *文献値参照資料：JIN-CHUNG 文献値参照資料：JIN-CHUNG HSU AND MICHELE BREGER 1982 → （Pmax → （Pmax = 3.53% , λmax = 5210Å: Hsu and Breger 1982) 観測スペクトル Serkowski curvec 偏光度 (%) -0.13%(±0.06%) -0.10%(±0.09%) Wavelength (Å) 偏光測定精度評価結果：ΔP 偏光測定精度評価結果：ΔPsp～0.1% -0.09%(±0.07%) 3. 性能評価 ■ 方位角測定の安定性の評価 グランテーラープリズムを挿入して観測したUP グランテーラープリズムを挿入して観測したUP星スペクトルを用いて評価 UP星スペクトルを用いて評価 Position angle of GT-star 1回目想定 回目想定 2回目想定 回目想定 3回目想定 回目想定 4回目想定 回目想定 4方位測定法による観測を連続して 4set行い、各 4set行い、各set 行い、各set毎の偏光度から方 set毎の偏光度から方 位角を導出した Wavelength (Å) 次数(波長域 次数 波長域) 波長域 分散：σ 分散： 24 (λ=7830-8160Å) 0.041° 25 (λ=7525-7835Å) 0.038° 26 (λ=7245-7529Å) 0.030° 27 (λ=6980-7250Å) 0.023° 28 (λ=6740-6985Å) 0.015° 29 (λ=6505-6745Å) 0.008° 30 (λ=6295-6510Å) 0.005° 31 (λ=6100-6305Å) 0.008° 32 (λ=5905-6105Å) 0.011° 33 (λ=5735-5910Å) 0.011° 34 (λ=5630-5740Å) 0.011° 3. 性能評価 ■ 方位角測定の安定性の評価 グランテーラープリズムを挿入して観測したUP グランテーラープリズムを挿入して観測したUP星スペクトルを用いて評価 UP星スペクトルを用いて評価 Position angle of GT-star 1回目想定 回目想定 2回目想定 回目想定 3回目想定 回目想定 4回目想定 回目想定 4方位測定法による観測を連続して 4set行い、各 4set行い、各set 行い、各set毎の偏光度から方 set毎の偏光度から方 位角を導出した 次数(波長域 次数 波長域) 波長域 分散：σ 分散： 24 (λ=7830-8160Å) 0.041° 25 (λ=7525-7835Å) 0.038° 26 (λ=7245-7529Å) 0.030° 27 (λ=6980-7250Å) 0.023° 28 (λ=6740-6985Å) 0.015° 29 (λ=6505-6745Å) 0.008° 30 (λ=6295-6510Å) 0.005° 31 (λ=6100-6305Å) 0.008° 32 (λ=5905-6105Å) 0.011° 33 (λ=5735-5910Å) 0.011° 34 (λ=5630-5740Å) 0.011° Wavelength (Å) 方位角決定精度 ： ∆θ ＜ 0.041° @m24 参考までに... 旧LIPSの方位角決定精度～0.1° 4. 初期観測結果 ■ P Cygの の偏光分光観測 - 観測日時 : 2013/03/08 27:30 – 27:56 - 積分時間 ： 60s×12 (4方位測定を (4方位測定を3set) 方位測定を3set) - 観測波長域 : 560nm – 810nm ( (赤用クロスディスパパーザー：300g/mm 赤用クロスディスパパーザー：300g/mmを使用 300g/mmを使用) を使用) P Cyg の観測スペクトル 強度 偏光度 ％％％％ 偏光方位角度 - 観測日時 : 2013/03/08 27:30 – 27:56 - 積分時間 ： 60s×9 (4方位測定を (4方位測定を3set) 方位測定を3set) - 観測波長域 : 560nm – 810nm ( (赤用クロスディスパパーザー：300g/mm 赤用クロスディスパパーザー：300g/mmを使用 300g/mmを使用) を使用) Hα ■ P Cygの偏光分光観測 の偏光分光観測 3. 性能評価 強度 偏光度 ％％％％ 偏光方位角度 HeI P Cyg の観測スペクトル - 観測日時 : 2013/03/08 27:30 – 27:56 - 積分時間 ： 60s×9 (4方位測定を (4方位測定を3set) 方位測定を3set) - 観測波長域 : 560nm – 810nm ( (赤用クロスディスパパーザー：300g/mm 赤用クロスディスパパーザー：300g/mmを使用 300g/mmを使用) を使用) Hα ■ P Cygの偏光分光観測 の偏光分光観測 3. 性能評価 強度 偏光度 ％％％％ 偏光方位角度 HeI P Cyg の観測スペクトル λc/Δλc～ λc/Δλc～7972.3 ΔP ≦ 0.1% (Δλ～ (Δλ～200nmを観測可能 200nmを観測可能) を観測可能) 400-850nm 仕様値 今後の予定 - サイエンス観測の実施 - 短波長モードでの性能評価 - 円偏光モードの導入 方位角測定精度 Δθ≦ ≦ 0.1% Δθ 最大装置効率 18.0% (m=30) 限界等級((積分 積分4 時間)) ΔP～ 限界等級 4時間 ΔP～0.1% : 7.1mag ΔP～ ΔP～0.3% : 9.6mag 波長分解能 偏光度測定精度 観測波長域 項目 (0.019)2 + (0.029P)2 (%) Δθ≦ Δθ≦ 0.041% 21.0% (m=30) ΔP～ ΔP ～0.1% : 7.2mag ΔP～ ΔP～0.3% : 9.6mag ∆P≦ λ/Δλ～ λ/Δλ～7750-8250 (長波長側観測モード時) 長波長側観測モード時) 評価値 550-810nm ■ 試験観測によるLIPS 試験観測によるLIPS性能評価結果のまとめ LIPS性能評価結果のまとめ 3. 性能評価
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