Pathfinding of high-precision radial-velocity measurement: from direct measurement of Universe's expansion history to spectroscopy of terrestrial planets

• Project/Area Number: 22H00151
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松尾 太郎 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (00548464)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥39,520,000 (Direct Cost: ¥30,400,000、Indirect Cost: ¥9,120,000); Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2023: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2022: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000)
• Keywords: 高安定分光 / 太陽系外惑星 / 高分散分光 / ライブイメージング / 高分散 / 視線速度法 / 分光器 / 安定性 / 分光測光 / 可視光 / 指向計測

Outline of Research at the Start

宇宙の加速膨張の直接計測には、10年にわたって数cm/sの計測精度が要求される。しかし、室内実験を含めて、数cm/sの速度精度の分光器は実現していない。本研究は、従来の高分散分光器と一線を画す新たなアプローチを開発し、室内で実証するものである。本アプローチは、望遠鏡の指向誤差の影響を低減する瞳収縮分光器と、分光器へ入射する光の角度を精密に計測する新たなセンサーから構成される。本研究は、本アプローチに基づいた試作機を室内で構築し、その分光測光精度を評価するものである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、望遠鏡の指向擾乱に対して原理的に無依存である瞳分光の安定性に着目して、太陽型星周りの地球型系外惑星の探査や宇宙加速膨張の直接計測を可能とする、視線速度法の高精度化を実現するものである。本方式の原理は、2022年にApJより出版されている。初年度は、瞳分光器の基礎的な評価と、視線速度精度を決定づける分光測光精度の測定のためのテストベッドの構築が目標である。ここで事前検討により、視線速度精度100万分の10（10 parts-per-million: 10 ppm）が到達できれば、数cm/sの精度の実現が可能であるため、10 ppmの安定性が評価できるテストベッドの構築が要求される。まず、光学定盤上で可視光の瞳分光器を構築することに成功し、予想通りの波長帯域・波長分解能が得られていることを確認した。さらに、数l/D (l: 波長、D: 口径)の指向擾乱を瞳分光器に導入し、瞳のスペクトルの形状や位置が変化しないことを確認した。従来の焦点分光では、その位置が点回折像の大きさの数倍程度の変化が起こるのに対して、本研究の瞳分光器は点回折像の100分の1以下の変化に収まっていることが分かった。瞳分光器の安定性を特徴づける、指向擾乱に対して検出器上の像の位置や形状が無依存であることを実験的に確認できたことになる。次に、常温・常圧下での分光測光精度の評価において、光源の光量変化が測定精度を1000ppm程度に制限するため、光源の光量変化が測定精度に影響を与えない工夫をテストベッドに施した。その結果、30分の計測時間であるものの、ほぼ10 ppmの分光測光精度を達成していることを確認した。以上より、初年度に設定した二つの目標を達成できたと考える。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「研究実績の概要」で述べたように、初年度に立てた二つの目標である、1. 構築した瞳分光器の基礎的な評価、2. 瞳分光器の分光測光精度を評価するための高安定なテストベッドの構築、を概ね達成することができた。前者について、構築した光学系の波長帯域や波長分解能が設計値通りであることを確認した。後者について、指向擾乱を瞳分光器に導入するため常温・常圧下でテストベッドを構築した結果、光源の光量変化/スペクトル変化が測定精度を制限する可能性がある。そこで、光源の光量変化が問題にならない、システムの構築が重要である。そこで、一つの光源に対して二つの等価な光学系を作成し、一つは指向擾乱を導入する系、もう一つは導入しない系とした。この二つの等価な光学系で作成されたスペクトルを一つの検出器で検出することにした。その結果、光源の明るさ/スペクトルの変化に対する影響をほぼ無視することが可能となり、10 ppmの精度で分光測光制度を評価できることを確認した。一方で、実験系の構築において問題も明らかにされた。問題とは、検出器のゲイン変化によって測光精度を測定する系の精度が制限されていることである。この問題を解決できれば、より高い測定精度で分光器の評価を実施でき、本課題で掲げる数cm/sの測定精度の検証が可能になる。この問題の解決策については、「研究の推進方策」において述べる。

Strategy for Future Research Activity

現時点で明らかになっている重要な問題点は、検出器の温度変化に伴うゲインの変化であり、分光測光精度の測定限界を決定している。なぜなら、ゲインの変化が無視できる時間が30分程度に限られ、その時間に積分できる光子数が制限されるために、ショットノイズが本課題の目標である10 ppmを上回ってしまう。なお、本課題の目標は、系統誤差と統計誤差のを合わせて、10 ppmを十分に下回ることによって、数cm/sの視線速度の測定精度の実現可能性を検証するものである。そこで、測定時間を長くするために、検出器の温度変化を抑える工夫を2023年度に実施する。これまで、2022年度にテストベッド全体の温度を一定に保つような空調・断熱などの工夫を施した。2023年度はより高い温度安定性を得るために、制御する領域を限定する。具体的には、検出器だけを囲うように、検出器だけの空間をほぼ一定に保つような熱設計を実施する。目標としては、数時間で10 mKの温度変化に抑えることである。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA Ames Research Center(米国)
• [Journal Article] A Coronagraph with a Sub-λ/D Inner Working Angle and a Moderate Spectral Bandwidth (2022)
  • Author(s): Itoh, S., Matsuo, T.
  • Journal Title: Astronomical Journal Volume: 163 Issue: 6 Pages: 279-279
  • DOI: 10.3847/1538-3881/ac658a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development progress of diffraction-limited coronagraphs with moderate spectral bandwidths (2022)
  • Author(s): Itoh, S., Matsuo, T., Ota, S., Ikeda, Y., Kojima, R., Yamada, T., Sumi, T.
  • Journal Title: Proc. of SPIE Volume: 12188 Pages: 158-158
  • DOI: 10.1117/12.2629087
• [Journal Article] Development of a high-precision spectrograph for diffraction-limited coronagraphs (2022)
  • Author(s): Ota, S., Matsuo, T., Itoh, S., Kano, T., Ikeda, Y., Kojima, R., Sukegawa, T., Nakayasu, T., Koyama, M., Sumi, T., Yamada, T.
  • Journal Title: Proc. of SPIE Volume: 12188 Pages: 1218851-1218851
  • DOI: 10.1117/12.2629324
• [Journal Article] The Japan-United States Infrared Interferometry Experiment (JUStIInE): balloon-borne pathfinder for a space-based far-IR interferometer (2022)
  • Author(s): David Leisawitz, Taro Matsuo, Gregory Mosby Jr., Peter Ade, Rachel Akeson, Dale Fixsen, Qian Gong, Hidehiro Kaneda, Stephen F. Maher, Lee G. Mundy, Shunsuke Ota, Gioia Rau, Elmer Sharp III, Toru Shimokawa, Johannes Staguhn, Carole Tucker, Gerard van Belle
  • Journal Title: Proc. of SPIE Volume: 12190 Pages: 98-98
  • DOI: 10.1117/12.2629426
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 回折限界の Inner Working Angle を持つ新しいコロナグラフ原理の確認実験 (2022)
  • Author(s): 伊藤 哲司、松尾 太郎、太田 峻介、池田 優二、小島 礼己、山田 亨、住 貴宏
  • Organizer: 2022年度天文学会秋季年会
• [Presentation] 広帯域コロナグラフマスクの実現に向けた同心型分光器の性能測定 (2022)
  • Author(s): 太田 峻介、松尾 太郎、伊藤 哲司、叶哲生、池田 優二、小島 礼己、山田 亨、住 貴宏
  • Organizer: 2022年度天文学会秋季年会
• [Presentation] 赤外線宇宙干渉計（SEIRIOS）のための観測手法の考案とミッション機器の設計 (2022)
  • Author(s): 松尾 太郎、五十里 哲、近藤 宙貴、太田 峻介、原 健介、山室 智康、中須賀 真一
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 宇宙赤外線干渉計ミッションSEIRIOS実現に向けた高精度な光路長制御手法 (2022)
  • Author(s): 近藤 宙貴、五十里 哲、松尾 太郎、中須賀 真一
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 日米共同気球搭載赤外線干渉計 (2022)
  • Author(s): 松尾 太郎、金田 英宏、芝井 広、太田 峻介、宮田 隆志、上塚 貴史、大薮 進喜、松尾 宏、江澤 元、和田 武彦、土居 明広、Leisawitz David、Mosby Gregory
  • Organizer: 2022年度大気球シンポジウム