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: The University of Osaka (2025); Nagoya University (2022-2024)
• Principal Investigator: 松尾 太郎 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (00548464)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥39,520,000 (Direct Cost: ¥30,400,000、Indirect Cost: ¥9,120,000); Fiscal Year 2025: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); 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: 精密分光測光 / 瞳分光 / 高分散 / 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 / 分光 / 可視光・近赤外線 / 高安定 / 制御 / 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

本年度は、主に二つのことを実施した。一つは、将来の宇宙望遠鏡への搭載可能性を広げるために、従来の焦点分光器と瞳分光器が共存できるような解を探索した。その結果、瞳分割だけでなく、瞳結合という新たな過程を加えることで、従来の焦点分光器と共存できる解を見出した。これは、スリット以降の分散素子から検出器までを共通化することができ、焦点分光器で作られるスペクトルパターンと全く同様なスペクトルを形成することができた。これまでの広がったスペクトルが検出面に形成されることなく、少ないサンプリング数にすることができた。瞳分光の最大の特徴である、波面収差に対してスペクトルの形状や位置が無依存であることを失うことなく、焦点分光器と同じ波長分解能や波長帯域を維持することができる。この検討結果は、JAXAが検討中の大型クラスの宇宙望遠鏡計画(GREX-PLUS)に利用され、瞳分光器がGREX-PLUSの高分散分光器のオプション案として採択された。また、米国が検討中のHabitable Worlds Observatory (HWO)コンセプトを推進する、NASAの研究者と瞳分光の検討を開始している。
もう一つの重要な進捗は、指向センサーで取得された像を利用しながら、長時間、指向擾乱を制御することができた。これによって積分時間を延ばすことが可能となり、統計誤差を抑えることによって精度良く系統誤差を計測できるようになった。2024年度以降に実験データを取得し、論文化することができる見込みである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の実施計画として、三年度目に論文化のための実験データ取得を行う予定である。そこで、二年度目の今年度は、その実験データ取得のために必要な準備を全て完了する必要がある。研究業績の概要でも述べたように、指向センサーを見ながら指向擾乱を取得することができ、長時間積分が可能となった。実験データとして系統誤差を精度良く見積もることができる。また検出器の温度も安定にできることを確認したため、目標である10 ppm(parts-per-million)よりも小さい誤差に抑えられることが期待される。

Strategy for Future Research Activity

三年度目である2024年度に、論文として報告するための実験データを取得し、指向擾乱のある環境下で系統誤差を正確に見積もる。2024年度の早い時期にデータを取得できれば、2024年度中に論文としてデータをまとめ、投稿までを行う予定である。また、JAXAで検討中の大型クラスの宇宙望遠鏡GREX-PLUSの高分散分光器と同様に、将来のNASA大型宇宙望遠鏡コンセプトである、Habitable Worlds Observatory (HWO)への応用も検討する。これまでに、HWOの主要な関係者とコンタクトを取り、瞳分光に関する技術的な検討を報告している。今後は、紙の上での検討を発展させて、実験ベースで米国と協力しながら進めていく予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA Ames Research Center(米国)
• [Int'l Joint Research] NASA Ames Research Center(米国)
• [Journal Article] Wide-Spectral-Band Nuller Insensitive to Finite Stellar Angular Diameter with a One-Dimensional Diffraction-Limited Coronagraph (2024)
  • Author(s): Satoshi Itoh, Taro Matsuo, Motohide Tamura
  • Journal Title: Astronomical Journal Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large Interferometer For Exoplanets (LIFE) (2023)
  • Author(s): Matsuo Taro、Dannert Felix、Laugier Romain、Quanz Sascha P.、Kovaevic Andjelka B.、LIFE Collaboration
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 678 Pages: A97-A97
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202345927
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] GREX-PLUS: HRS光学系 (2024)
  • Author(s): 松尾太郎、藤井友香
  • Organizer: GREX-PLUS研究会
• [Presentation] 太古代海洋における光環境モデルの構築 (2024)
  • Author(s): 新井 千紘、伊藤 久美子、藤井 悠里、武田 真之介、菅野 里美、松尾 太郎
  • Organizer: 生命の起原および進化学会
• [Presentation] Phase-space synthesis decomposition for planet detection and characterization (2023)
  • Author(s): Matsuo Taro、Dannert Felix、Laugier Romain、Quanz Sascha P.、Kovaevil Andjelka B.、LIFE Collaboration
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] 宇宙・地球進化の時間スケールから見る光合成生物の多様性 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: 日本光合成学会
  • Invited
• [Presentation] Green Sea Hypothesis: coevolution of photosynthetic organism and habitat and suggestion of a possible biosignature (2023)
  • Author(s): Taro Matsuo
  • Organizer: Protostars and Planets VII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase-space synthesis decomposition for planet detection and characterization (PSSD) (2023)
  • Author(s): Taro Matsuo
  • Organizer: Large Interferometer for Exoplanets (LIFE) workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 緑の海仮説：光合成生物と光環境の共進化 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: 藍藻ゲノム交流会
  • Invited
• [Presentation] Green Sea Hypothesis: Cyanobacteria evolution under Archean aquatic environment (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: Astrobiology Symposium
  • Invited
• [Presentation] 赤外線宇宙干渉計計画から考えるスーパープレッシャー気球に期待する役割 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: 宇宙科学連合講演会
• [Presentation] 赤外線宇宙干渉計LIFEに向けた干渉法の実証実験 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: 宇宙科学連合講演会
• [Presentation] 太古代後期の海洋における酸素・鉄の拡散とそれに伴う鉄の酸化に関する数値計算 (2023)
  • Author(s): 武田 真之介、藤井 悠里、松尾 太郎、伊藤 久美子、菅野 里美、小木曽 哲、掛川 武
  • Organizer: 生命の起原および進化学会
• [Presentation] 緑の海仮説：光合成生物と光環境の共進化 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Organizer: 星・惑星形成大研究会
• [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 (2023)
  • Author(s): 近藤宙貴、松尾太郎、原健介、五十里哲、中須賀真一
  • Organizer: 宇宙科学連合講演会
• [Presentation] 編隊飛行宇宙赤外線干渉計実証機SEIRIOSの実現に向けた像再生手法に関する研究 (2023)
  • Author(s): 小川 巧海、近藤 宙貴、松尾 太郎、五十里 哲、船瀬 龍、中須賀 真一
  • Organizer: 宇宙科学連合講演会
• [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
• [Book] 宇宙から考える「生命とは何か？」 (2023)
  • Author(s): 松尾太郎
  • Total Pages: 240
  • Publisher: 河出書房新社