大型光学望遠鏡 TMT

2013.12.理論懇
大型光学望遠鏡 TMT
TMTの概要
TMTの性能
サイエンスケース
柏川伸成
(NAOJ/TMT推進室)
Dec. 2013
30m望遠鏡
Thirty Meter Telescope (TMT)
口径30m
0.31-28um
日本・アメリカ・カ
ナダ・NSF・中国・
インドの国際協力
ハワイ・マウナケア
総予算1500億円
2021年末観測開始
492枚の鏡を敷き詰める。１枚の直径1.44m
Segment Size
鏡の裏からロボットで支える。
重力による変形を瞬時に補正。
Enclosure
Site
マウナケア, ハワイ
Gemini
CSO
Keck
Subaru
SMA
TMT
6
TMTにおける国際協力
望遠鏡
ドーム
主鏡材
副鏡
観測装置
主鏡
補償光学
第3鏡
付帯設備
制御系・ソフト
7
TMTにおける日本の役割
望遠鏡: 斬新な設計による
軽量化、すばるの誇る高駆
動性能を継承、免震機構。
主鏡：超低膨張セラミック
ガラスは、半導体/液晶製
造装置材料として日本は優
れた製作実績を誇る。均質
かつ安定な量産体制。試作
１枚完成。
観測装置：すばるでの経験
を活かした装置開発。国内
大学の開発グループと連携。
8
TMT観測装置
第１期観測装置
IRIS, WFOS,
IRMS+NFIRAOS
2022年FLまでに
完成させる
第２期観測装置
少なくとも6台の候補装置
2021年以降段階的(2-3年
に1機)に実現していく
コミュニティ→SACにお
いて優先順位決定→CFP
9
TMT Baseline Operations Plan (TBD)
各パートナーごとに独立して観測時間を割り当てる。
各パートナーは独自に観測提案の募集・評価・採択を行
う。TMT全体における観測提案の重複は気にしない。
観測提案応募システム、積分時間計算ツール、データ解
析ツールなどは共有する。 パートナーで協力してUM、
講習会を開催する。
リモート観測(ヒロ、各国基幹施設)が基本。
PI観測モード ⇒ サービス観測 ⇒ キュー観測
ToO観測には前向き。拒否権や複数パートナーによる同
じToO発動の場合などについては未検討。
18か月後にパートナー内にデータ公開。アーカイブは各
パートナーごとに。
世界の次世代超大型望遠鏡計画
計画
TMT
GMT
E-ELT
直径
30m
22m(8.4mｘ７）
39m
建設地
(標高）
ハワイ：マウナケア
(4050m) 北の宇宙
チリ：ラスカンパナス
（2550m）南の宇宙
チリ：セロアマゾネス
（3060m）南の宇宙
予算規模
1500億円
1100億円？（推定額） 2000億円？(推定額）
建設期間
(完成予定)
９年(2022年）
7年（2020年代？）
メンバー
日本、米国(カリフォル
米国（カーネギー天文
ニア大ほか）、カナダ、 台、ほか）、韓国、
中国、インド
オーストラリア
11年(2024年？）
欧州南天天文台
(15ヶ国）
11
TMTの特徴 1
大集光力: すばるの14倍
→ 遠くまで、暗いところまで、見える。
30m
8m
12
TMTの特徴 2
高い空間分解能：0.015arcsec, JWSTの5倍
→ 細かいところまでよくみえる。
30m
8m
13
High spatial resolution w/TMT/AO
0.01” @5 AU = 36 km (Jovian’s and moons)
⇒ 木星の衛星イオの火山活動が見える。
5 pc = 0.05 AU (Nearby stars – companions)
100 pc= 1 AU (Nearest star forming regions)
8.5 kpc= 85 AU (Galactic Center or Bulge)
⇒ 銀河中心のBH周囲の星の固有運動が測れる。
1 Mpc= 0.05 pc (Nearest galaxies)
20 Mpc = 1 pc (Virgo Cluster)
z=0.5= 0.07 kpc (galaxies at solar formation epoch)
z=1.0= 0.09 kpc (disk evolution, drop in SFR)
z=2.5= 0.09 kpc (QSO epoch, Ha in K band)
z=5.0= 0.07 kpc (protogalaxies, QSOs, reionization)
⇒ 遠方銀河の星形成領域が分解できる。
High-z galaxy image
superimposed on a
TMT IFU with 50100pc spatial
resolution
Keck AO image
of Titan with an
overlayed 0.05’’
grid (~300 km)
14
Keck AO image of M31 Bulge with 0.1” grid
TMTの特徴 3
高い波長分解能 R～100,000
→ 物理測定の精度が上がる。
30m
8m
15
vs. JWST
JWSTの勝ち
TMTの勝ち
可視域(0.3-1um)において広視野（FOV>10’）かつ高感度
ToO観測に対応可能
アップグレードしやすい
Synergy w/Space-IR and ALMA
SPICA
SPICA
MIR域でSPICAより数倍高い波長分解能、1ケタ高い空間分解能
MIR域でJWSTより2ケタ程度高い波長分解能
NIR域でALMAとほぼ同じ空間分解能
TMTの特徴のまとめ
TMTの特徴
– 大集光力
→ 遠くまで、暗いところまで、見える。
– 高い空間分解能 0.015arcsec
→ 細かいところまでよくみえる。
– 高い波長分解能 R<100,000
→ 物理測定の精度が上がる。
これらのTMTの特徴を活かした観測装置・
観測計画
18
HSCとTMTのsynergy
小さな望遠鏡で見つけて大きな望遠鏡で調べる
小さな望遠鏡で見つけて大きな望遠鏡で調べる
Current & Future high-z galaxy survey
32
31
JWST K
TMT-IRIS J-imag
5hr S/N=10
JWST z
30
Depth (AB)
UDF
29
28
GOODS
HDF J-spec
TMT-IRIS
SXDS
5hr R=4000 S/N=10
27
26
25
HSC UD WISH UDS
CFHTLS deep
HSC deep
SDF
COSMOS
LSST
HSC wide
HSC NB z=6.5
SXDS NB z=6.5
Pan-STARRS
UltraVista
SDF NB z=7.0
Keck MOSFIRE
J-spec
CFHTLS wide
WIRCAM
NB z=7.7
5hr
R=3000
S/N=3
HSC NB z=7.0
UKIDSS UDS
24
0.0001 0.001
UltraVista NB z=8.8
0.01
0.1
1
10
Area (sqdeg)
100
1000
10000 100000
すばるの広視野カメラ
LSST広視野望遠鏡
現在のフロンティアを拡大する。
ー より深く、細かく、正確に、数多く ー
系外惑星の直接撮像:
separation 0.2arcsec → 0.02, contrast 10-5 → 10-8
金属欠乏星探査：
Galactic halo → local group
近傍銀河の星形成史:
Red giants → MS, 5mag fainter
遠方超新星：
z=1.5 → z=2-4
銀河の内部(力学・化学)構造：
z=2,3 → z=6
IGMの化学進化：
10-2 → 2x10-4Z accuracy
銀河とBHの共進化:
20 → 100Mpc or MBH=107 → 106M
新しいフロンティアを築く。
ーこれまでにない全く新しい天文学ー
太陽系惑星上の大気構造・成分、天候・火山活動などが
わかる
系外惑星上の水、酸素、オゾンなどの分子を検出し、生
命の可能性を見つける
濃い分子雲内の若い星団の中間赤外観測により、IMFの
質量、環境依存性を明らかにする
原始星コアの形状、内部円盤からのジェットの直接観測
銀河系中心にあるBHによる星の軌道運動の測定
IGM進化は３次元的に観測可能
最初の星・銀河・QSOの検出
赤方偏移の直接観測、物理定数の時間変化
未知の天文学
宇宙膨張の直接測定
非常に高精度な測定ができれば、赤方偏移の時間変化＝
宇宙膨張の加速度・減速度を知ることができる。
宇宙の未来は？
ダークエネルギーとは？
10年後の宇宙
現在の宇宙
ある天体までの距離の
時変化を直接測定するのは
初めて
膨張する宇宙
ある天体までの
現在の距離と
10年後の距離
のわずかな差か
ら宇宙膨張を直
接測る
z=4のLyA forestの20年間
宇宙誕生から
ビッグバンでの距離変化を超精密測定
137億年
6cm/s per 10yrs
@z=4
10年間で赤方偏移が赤線から青線へ変化
Redshift drift
Acceleration /
Deceleration of the
universe causes observed
redshift as a function of
time.
6cm/s per 10yrs @z=4
High S/N and R obs. for
~20 Lyα forests with
4000hrs of TMT over
20yrs
Direct and modelindependent measure of
the expansion history.
Liske+ 09
08
微細構造定数の変動
微細構造定数a  2e / hc
QSO吸収線のうち共鳴吸収
線(FeII, ZnII)を用いる
実験での制限(year-1)
2
a / a  (1.6  2.3) 10 17
VLT/Keckの観測では未解
決。
Keckを使っていた人が
VLTを使った結果
VLT+UVESの結果
Keck+HIRESの結果
Rahmani+ 12
•Proton/electron ratio
μ=mp/meについても可能性
宇宙で最初の星(PopIII)の検出
popIIIの観測的証拠となるのは
HeII 1640Aの検出
コンパクト (<30mas) かつfaint
HSC/JWSTで候補天体捜索
TMTはz<14までHeIIの検出可能
Lyα
すばるで見つけた
z=6.5LAEs
PopIIIの予測
される明るさ
TMTの1時間観測での限界
Schaerer+ 02
IGM tomography
TMT: R=10,000の限界等級は24mag
背景光源の個数密度でdominantなのはQSOではなく銀河(2個/arcmin^2)
<300kpcくらいの空間scale相関を得ることができる。
宇宙におけるHI・metal・星の3次元地図が描ける。
HSC: 環境依存性、GWの強弱、など多様なターゲットフィールドを提供。
x30
IGM distribution
Galaxy distribution
TMTが切り拓く銀河進化
速度マップ
星形成率マップ
金属度マップ
密度マップ
ダスト減光マップ
温度マップ
弱いAGNの検出
Inflow/outflowの検出
銀河内部におけるsub-kpcスケールのバリオンの複雑
な物理素過程とその進化(z~6まで)を明らかにする。
Forster Schreiber+ 09
銀河系中心のBH
銀河系中心のBH周囲の星
K<22, ~100 stars
位置決定精度30uas
速度分解能精度 1km/s
→ 固有運動を測定できる。
→ MBH, Ro, DM halo形状に制限。
SMBH周囲の星形成
SgrA*フレア
A.Ghez, UCLA
惑星大気分光
Absorptions due to molecules in the transiting planetary
atmosphere are superimposed on the spectrum of the host
star.
3hrs integ. (snr=30000, 6km/s)of TMT/HROS for O2 of Mstar
NIR HR Spec. for organic hydrocarbon molecules
Turnbull+06
TMT ISDT
ISDT (International Science Development Team)のメンバ
ーを募集しています。
TMT詳細サイエンス検討書の改訂、とTMTキー観測プロ
グラムの検討、が当面の目的。
将来的な共同国際研究グループを構築していく。
９つのサブサイエンスグループから組織され、既に日本人
数名を含むコアメンバーが加入している。
特に理論のみなさんは大歓迎。
〆切: 2014年1月17日。
http://www.tmt.org/about-tmt/international-sciencedefinition-teams
TMT ISDT
Summary - TMT
30m TMTの特徴を活かした高空間・高分散観測。
観測的宇宙論分野でも新たな観測を。
現在のフロンティアを拡大する。
ー より深く、細かく、正確に、数多く
新しいフロンティアを築く。
ー これまでにない全く新しい天文学
あなた独自のサイエンスケースは？
みなさまのご支援お願いいたします。