ASTE搭載用 多色連続波カメラの開発 - NRO

ASTE搭載用
多色連続波カメラの開発
国立天文台チリ観測所
竹腰達哉
Outline
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科学目標
カメラの概要
ASTE望遠鏡への搭載試験
データ解析の現状
今後の計画
まとめ
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科学目標：サブミリ波銀河
• 初期宇宙の爆発的星形成銀河（サブミリ波銀河）探査
– 我々の銀河系の100-1000倍の星形成率
– 構造形成、銀河形成・星形成史を理解するうえで重要
な天体
– 約30Kの熱放射が卓越し、ミリ波サブミリ波で明るい
– AzTEC/ASTE（2007-2008）で1000個以上発見
Y Tamura et al. Nature 459, 61-63 (2009)
3
科学目標：サブミリ波銀河
• 連続波カメラの広域マッピングにより検出
– AzTEC/ASTEなどで実現（～1平方度）
– 10—1000平方度級の広域観測も重要
Brightness of galaxy (mJy)
• 赤方偏移の推定
– 3次元分布を明らかにする
➡ 多波長の連続波観測が必要！
新しい多色連続波カメラを用いた
大規模なサーベイ観測の実施
450μm
850μm
1.1mm
Wavelength (mm)
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近傍銀河の観測 Hubble
• 近傍銀河でのダスト連続波観測
– 低温ダストの観測
• ダスト質量の大部分を占める
• 150~300μm程度にピーク(20~30 K)
• 光学的に薄い⇔密度構造をよくトレース
• COよりも金属量・輻射依存性が小さい
➡ 化学進化プロセス・進化段階に強い
• 質量・温度の推定
ガス質量: gas-to-dust ratio Rを仮定
NGC1512
Liu+2010
AzTEC
AzTEC/ASTE M33
•
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•
Komugi+ 2011
On source: 30 hrs
30’x30’,2領域
GMCの低温ダスト成
分（~20K）をトレース
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直接検出器による
連続波観測の３つの利点
1. 光子直接検出
– 量子雑音限界がない（ヘテロダイン観測との違い）
– 大気放射起源のフォトンノイズが支配
2. 超広帯域観測
– 帯域幅は大気の窓で制限（~50GHz）
– ヘテロダインでは≲10GHz
3. 多素子化
– 検出器や読み出しがシンプル
– 100—10000素子
– 広視野光学系（e.g. 可視光観測）
最も効率の良い低温天体のサーベイ手法！
➡ ASTE搭載用多色連続波カメラの開発
TESCAM collaboration
• 国立天文台
– 大島泰、竹腰達哉、荒井均、大田原一成、廣田晶彦、佐藤立博、
岩下浩幸、前川淳、南谷哲宏、松尾宏、川辺良平
• 北海道大学
– 中坪俊一、森章一、香内晃、徂徠和夫
• 東京大学
– 泉拓磨、石井峻、田村陽一、河野孝太郎
• Univ. of California, Berkeley
– B. Westbrook, A. Suzuki, A. T. Lee
• McGill Univ.: M. Dobbs
• Cardiff Univ.: C. Tucker, P.A.R. Ade
• Chinese Univ. of Hong Kong
– Robin Lee, Hua-bai Li
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ASTE TES bolometer camera
開発フェイズ
I
II
時期
2012—2016
2017 —
観測バンド数
2
2 (or 6 by multi-chroic TES)
観測周波数
270/350 GHz
350/670 GHz (or 150—670GHz)
観測波長
1100/850 μm
850/450 μm
バンド幅
50/35 GHz
35/80 GHz
ピクセル数
169/271
271/919 (or 91x3/271x3)
ビームサイズ
28/22”
22”/11”
サイドローブレベル
-15 dB
-15 dB
視野角
7.5’
7.5’
搭載オプション
Multi-choric TES
ポラリメータ（A-pol）
10
観測バンド
Matsushita +1999
バンド
周波数
波長
バンド幅
レンジ
Band1
270GHz
1.1mm
50GHz
244—294GHz
Band2(1st)
350GHz
850μm
35GHz
330.5—365.5GHz
Band2(2nd)
670GHz
450μm
80GHz
630—710GHz
ASTE(10m)
System Overview
PulseTube cooler
300K
Warm
optics
Antenna
control
computer
4K
Cold
optics
He3 cooler
0.25K
TES
bolometer
array
cryostat
SQUID
controller
LAN
Receiver DATA
control
computer
4K
SQUID
DfMUX
backend
Cryogenics
control
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ASTE望遠鏡
• 設置場所：
チリ共和国アタカマ砂漠（標高4800m）
• 主鏡直径: 10m
• 鏡面精度: 19mm rms
• 主ビーム能率:0.6-0.7 @850mm
• ポインティング精度: 2” rms
• ビームサイズ: 22” @850mm
Sept. 13, 2014
2014年日本天文学会秋季年会
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Alignment in ASTE Cabin
To Sub-reflector
1.9m
Entrance
2.2m
Backend
1.8m
Camera Dewar
3rd mirror
カメラシステム概要
• 検出器
– 超伝導遷移端センサ(TES)
ボロメータ
• 読み出し
– SQUID/DfMUX(FPGA)
– 8TES/1SQUID
• 冷却系（closed cycle）
– パルスチューブ冷凍機
• 50K, 4K stage
– 吸着式冷凍機(He-10)
• 1K, 350mK, 250mK stage
• 保持時間: 48 hours (運用時)
Cold optics
Band2
350GHz
850um
Cold stop
+ Dichroic filter
HDPE lens
2K
350mK
Band1
270GHz
1.1mm
Focal Plane
(250mK)
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ボロメータの原理
photon
thermometer
1. 吸収体で光子を吸収
2. 吸収体の温度上昇を温度計で測定
3. 吸収体の温度はC/G （~1msec） の
時定数でT0まで徐々に減少
Photon input
Absorber C
Thermal link G
Heat sink T0
“Cryogenic Particle Detection” Enss, 2005.
Transition Edge Sensor
• Wafer (350GHz)
Absorber 1275μm
85mm
TES
Bling
360μm
Thermal link
Readout
• ΔT(temp.)→ ΔR(resistance)→ ΔI(current)→ ΔΦ(mag. flux)
– Constant voltage biasing by shunt resistor
• Φ read out by SQUID/DfMUX
– DfMUX(Frequency Domain Multiplexing)
• 8 TESs readout by 1 SQUID
Frequency comb
Inductor(8)
8 combs per SQUID
Capacitor(8)
Frequency[kHz]
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これまでの試験
• Phase I
η Carinae
– 望遠鏡組み込み試験（2012/4-6） @350GHz
• Phase II （2013/11-2014/1）
– 試験観測（悪天候）
• Phase II+（2014/3-4）
–
–
–
–
好条件下の試験観測
ビームマップ観測➡光学系試験
キャリブレーション試験観測（skydip観測）
Astronomical targetの観測
星形成領域、銀河中心領域、ブランクフィールド
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Installation to ASTE RX cabin
25
Installation to ASTE RX cabin
26
NGC6334I
Band1 (270GHz)
28”
Band2 (350GHz)
date：2014/04/9-12
Integration time：20 min x 4
Map size： 14’ x 14’
Scan method: lissajous 300”/s
22”
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Galactic Center
SCUBA 850μm (Pierce-Price et al. 2000)
Data: 2014/4/8-12
Scan: Lissajous Vpeak=600”/s, 4 patches
Obs. Area: 1.56° × 0.5° = 0.78 sq. deg.
Obs. Time: 29 scans x 28.5min= 13.8 hours
Band1(270GHz)
Galactic Latitude
SgrB2
SgrB1
SgrA
SgrC
Band2(350GHz)
SgrB2
SgrB1
SgrA
Galactic Longitude
SgrC
Beam profile
Band1 (270GHz)
• Median FWHM: 31.9”x27.8”
• Median ellipticity: 1.14
Band2 (350GHz)
• Median FWHM: 26.6”x22.7”
• Median ellipticity: 1.17
Band2 (350GHz) ch.139
Band1 (270GHz) ch.001
0
0
Az
Az
-5
El
Power (dB)
Power (dB)
-5
-10
-15
El
-10
-15
-20
-20
-25
-25
-80
-60
-40
-20
0
20
offset from peak (arcsec)
40
60
80
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
offset from peak (arcsec)
• やや楕円形状のビーム
• 短軸側は回折限界を達成
• サイドローブレベルが高い (典型的に約-10 dB)
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Subref. defocus
•
•
高いサイドローブレベル（約-10dB）の原因？
Axial/lateral defocusを考慮したFar-field patternの解析モデルでフィット
‐
•
•
8.5m illumination, -4dB edge level
z offset = ±0.7mm で残差最小（Band1, band2とも）
モデルフィットでの副鏡axial focusの最適化手法を確立
Band1
観測
モデル
残差
＋
縦軸：Axial focus offset
横軸：Lateral focus offset
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時刻同期
• PhaseII+での時刻付け方法
アンテナ時刻ログ ➡ GPS信号
ボロメータ時刻ログ ➡ NTP
• 高速スキャン時に、顕著な画像のゆがみ
（原因）アンテナ時刻ログとボロメータデータ時刻ログのタイムスタンプのジッタ―
（対策）ボロメータ時刻ログをGPS信号でトリガーして時刻付け
Time offsetなし
Time offset: ~ -90msec
SgrB2 リサージュスキャン v=600”/s,
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Sgr B2 Lucky image
アンテナ、ボロメータログ時刻間のジッタ―が少ない
➡ Wpeakが見えている
Band2 (20140408122144)
LABOCA ATLASGAL
22”
38
Phase IIIに向けて：
• 高いサイドローブレベル
（原因）副鏡位置の追い込み不足が原因
➡ モデルフィットによる副鏡調整手法を確立した
• ノイズ高速スキャン時のマップクオリティー
（原因1）アンテナログ時刻とDfMAXログ時刻間のジッター
➡ ボロメータ時刻ログをアンテナログと同じGPS信号で時刻付け
（原因2）アンテナログのサンプリング不足
➡ 望遠鏡を急加速しない。スプライン補間する。
• ボロメータ読み出しのYield （約7割）
（原因） Inductor chipの歩留り
➡ 新Inductor waferの製作
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データ解析の現状
• データ解析プロセスの確立
– Opacity, flux calibration, pointing …
• データ解析ソフトBoA
– データ形式: MBFITSに準拠
– APEXの標準解析ソフトウェア
– Python2.3ベース
➡基本的なノイズ除去・マップメイキングに利用可
• 先進的な相関ノイズ除去手法の検討も重要
– 相関雑音のモデル化
– 効果的なスキャンメソッド
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相関ノイズの除去手法
– ボロメータの信号は大気からの熱放射が支配的
– 大気成分の除去手法
• 大気放射成分はピクセル間の相関が非常に良い
• 主成分分析などを使って相関成分を探す
• 相関成分を生データから除去する
Before
After
Correlation noise
田村, 2011
FFT of time stream data
Mars Raster Scan
n Hz periodic noise
Power (a.u.)
…
White noise
高速スキャンによる周波数変調
10-4
10-3
10-2
0.1
1
Frequency (Hz)
Frequency (Hz)
10
102
44
Data Evaluation Flow
Observation Data
Evaluation Table
Evaluation Result
Data Evaluation Start
Established
Not established
Beam maps
Skydips
Pointings
Flux Calibration Table
Array Pattern (RCP)
Flux Calibration
Accuracy
Beam Profile
Pointing Table
Pointing Accuracy
Opacity Table
Flag Table
Calibration Database
Data Evaluation End
Parity Table
カメラ開発の将来計画
Apol(ASTE Polarimeter)
Multichoric TES
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APol: ASTE polarimeter
• PI: Robin Lee&Hua-bai Li (香港中文大学)
• 直線偏波観測の実現
➡分子雲コア・フィラメントの磁場推定
• 前置光学系として設置可能
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Multichroic TES bolometer
• 6色同時観測可能
A. Suzuki et al. 2012
➡より精密な物理量の決定
• 現在の2焦点面を使用
– 低周波側: 150, 220, 270GHz
– 高周波側: 350, 450, 670GHz
• 素子数：1086 pixel
– 低周波側: 91×3=273 pixel
– 高周波側: 271×3=813 pixel
• ACT-pol/POLARBEAR2など
• 高周波側は新規開発
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まとめ
• ASTE搭載用多色連続波カメラ
– 星形成銀河やGMCを効率的に探査
– 270GHz, 350GHzの同時観測が可能な連続波観測システム
• ASTEへの搭載試験
– 2014/4にGalactic sourcesの観測に成功
– 光学系は大きな問題はなし
• 2016年の科学運用に向けての開発
–
–
–
–
スキャン方法の検討、アンテナログ
振動対策
Bolometer, Inductorの再作成➡歩留まり向上
データ解析の確立
• 将来計画
– Polarimeter搭載（2017年？）
– 第2世代（multi-chroic TES bolometer）に向けた開発
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