Statistical measurement of atmospheric turbulence altitude profile with Subaru telescope

• Project Area: Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance
• Project/Area Number: 21H05583
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 秋山 正幸 東北大学, 理学研究科, 教授 (50425401)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 大気乱流 / 乱流高度分布 / 乱流光学測定 / 補償光学

Outline of Research at the Start

複数のレーザーガイド星での大気揺らぎ測定とトモグラフィー推定法を組み合わせたレーザートモグラフィー補償光学は高精度の補償光学を実現する上で必須の手法である。大気揺らぎのトモグラフィー推定の精度は、事前情報である大気揺らぎ高度分布が鍵を握る。本研究ではすばる望遠鏡ドーム内にシャックハルトマン波面センサーを2台搭載した小型望遠鏡を設置してデータ取得し、シンチレーション情報を用いる独自手法のSH-MASS法と2台の波面センサーの空間相関を取るSLODAR法による解析を行い、広い高度範囲の大気揺らぎ高度分布を高い高度分解能で常時取得し、地表層を含む大気揺らぎの統計的振る舞いを理解することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

複数のレーザーガイド星での大気揺らぎ測定とトモグラフィー推定法を組み合わせたレーザートモグラフィー補償光学は高精度の補償光学を実現する必須の手法である。大気揺らぎのトモグラフィー推定を精度良く行うためには事前情報である大気揺らぎの高度分布の情報が重要であり、補償光学の観測と並行してリアルタイムで大気揺らぎ高度分布の情報を取得することが課題となっている。
我々は2台のシャックハルトマン波面センサーを搭載した測定システムをすばる望遠鏡のナスミス焦点に設置し、連星の星を用いてSH-MASSの手法とSLODARの手法による測定を行った。SH-MASSによる測定により上空20kmまでの大気揺らぎの高度分布と風速および風向の高度分布を捉えた。風速および風向の高度分布はレジオゾンデで測定されている測定日の高度分布と矛盾しないものであり、リアルタイムに有効な測定が行えたことを示している。大気揺らぎの高度分布は地表層に加えて5kmから10kmの付近で強い揺らぎ強度を示した。SLODARによる測定は、最も大きい揺らぎ強度を持つ地表層付近の大気揺らぎを高さ方向に20mの高い分解能で測定するものである。この測定は、地表層の大気揺らぎの大きな割合は望遠鏡のドーム内とその数10m上の領域で生じていることを示唆するものであった。
すばる望遠鏡に搭載するレーザートモグラフィー補償光学は波面測定ユニットを国立天文台ハワイ観測所に輸送し、現地での組み上げと光学測定の性能評価を行った。実験室でのシミュレーション光学系を用いてトモグラフィー波面測定のデータ取得を行いすばる望遠鏡に搭載してトモグラフィー波面推定が行えることを実証した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
• [Journal Article] SHARPEST: the atmospheric turbulence profiling experiment using Shack?Hartmann sensor at the Subaru telescope (2023)
  • Author(s): Ogane Hajime、Ono Yoshito、Minowa Yosuke、Oya Shin、Terao Koki、Akasawa Takumi、Homan Riki、Akiyama Masayuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Issue: 2 Pages: 1831-1846
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3195
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ULTIMATE-START: current status of the Subaru Tomography Adaptive optics Research experimenT (2022)
  • Author(s): Terao Koki、Akiyama Masayuki、Minowa Yosuke、Ono Yoshito、Ogane Hajime、Akasawa Takumi、Oya Shin、Yamamuro Tomoyasu
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 12185 Pages: 2057-2064
  • DOI: 10.1117/12.2629652
• [Journal Article] Aliasing effect of rolling shutter readout in laser guide star wavefront sensing (2022)
  • Author(s): Ogane Hajime、Akiyama Masayuki、Cranney Jesse、Rigaut Francois、Martinez Rey Noelia、d'Orgeville Celine、Minowa Yosuke、Ono Yoshito .
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 12185 Pages: 161-171
  • DOI: 10.1117/12.2629689
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atmospheric turbulence profiling with multi-aperture scintillation of a Shack?Hartmann sensor (2021)
  • Author(s): Ogane Hajime、Akiyama Masayuki、Oya Shin、Ono Yoshito
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 503 Issue: 4 Pages: 5778-5788
  • DOI: 10.1093/mnras/stab105
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ULTIMATE-START: Subaru Tomography Adaptive optics Research experimenT (2023)
  • Author(s): Masayuki Akiyama, Yoshito Ono, Yosuke Minowa, Koki Terao, Hajime Ogane, Takumi Akasawa, Riki Homan, Shin Oya
  • Organizer: AO4ELT7
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shack-Hartmann 光学系を用いた大気乱流分布測定-すばるでのオンスカイ試 験-2 (2023)
  • Author(s): 大金 原, 大野 良人, 美濃和 陽典, 秋山 正幸, 寺尾 航暉, 大屋 真, 赤澤 拓海, 穂満 理生
  • Organizer: 日本天文学会2023秋季年会
• [Presentation] ULTIMATE-Subaru: GLAO 波面センサーに用いる sCMOS カメラの性能評価 (2023)
  • Author(s): 寺尾航暉, 美濃和陽典, 大野良人, 吉田裕茂, 田中陽子, 秋山正幸, 大金原
  • Organizer: 日本天文学会2023秋季年会
• [Presentation] Shack-Hartmann 光学系を用いた大気乱流分布測定-すばるでのオンスカイ試験 (2023)
  • Author(s): 大金 原, 大野 良人, 美濃和 陽典, 秋山 正幸, 寺尾 航暉, 大屋 真, 赤澤 拓海, 穂満 理生
  • Organizer: 日本天文学会2023春季年会
• [Presentation] ULTIMATE-Subaru: 地表層補償光学の解析的な性能評価 (2023)
  • Author(s): 大野 良人, 美濃和 陽典, 寺尾 航暉, 田中 陽子, 吉田 裕茂, 秋山 正幸、大金 原, Noelia Martinez Rey, Nicholas Herrald, Celine D’Orgeville, Francois Rigaut, Israel Vaughn, David Chandler, Dionne Haynes, Warrick Schofild
  • Organizer: 日本天文学会2023春季年会
• [Presentation] レーザーガイド星波面センサーにおけるローリングシャッター読み出しの影響 (2022)
  • Author(s): 大金 原, 秋山 正幸, Jesse Cranney, Francois Rigaut, Noelia Martinez Rey, Celine D’Orgeville, 美濃和 陽典, 大野 良人
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] Atmospheric Turbulence Profiling for Precise Laser Tomographic Adaptive Optics (2022)
  • Author(s): Hajime Ogane, Masayuki Akiyama, Yoshito Ono, Yosuke Minowa, Shin Oya, Koki Terao
  • Organizer: Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 12:00 PM - 12:30 PM [SI-Thru5-02(Invited)] High Resolution Astronomy with Laser Tomography Adaptive Optics (2022)
  • Author(s): Masayuki Akiyama, Yosuke Minowa, Yoshito Ono, Koki Terao, Hajime Ogane, Takumi Akasawa, Shin Oya
  • Organizer: Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Rolling Shutter Wavefront Sensor Effects for ULTIMATE-SubaruGround Layer Adaptive Optics (2022)
  • Author(s): Hajime Ogane, Masayuki Akiyama, Jesse Cranney, Francois Rigaut, Noelia Martinez Rey, Celine D’Orgeville, Yosuke Minowa, Yoshito Ono
  • Organizer: WAVEFRONT SENSING IN THE VLT/ELT ERA VII
  • Int'l Joint Research