2017 Fiscal Year Annual Research Report
Direct Detection of Cosmic Acceleration by TMT & High Dispersion Spectrograph
| Project Area | Why does the Universe accelerate? - Exhaustive study and challenge for the future - |
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| Project/Area Number |
15H05894
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
臼田 知史 国立天文台, TMT推進室, 教授 (10311177)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
美濃島 薫 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20358112)
千葉 剛 日本大学, 文理学部, 教授 (40324602)
三澤 透 信州大学, 学術研究院総合人間科学系, 准教授 (60513447)
稲場 肇 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (70356492)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 光学赤外線天文学 / 応用光学・量子光工学 / 光コム / 宇宙物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
関連テーマである岡山天体物理観測所への光コム設置の結果を踏まえて決定した仕様に基づき、環境変化に対してより堅牢な光コム切り出し共振器の製作、および共振器で切り出す前の光コムを用いて広帯域光発生の予備実験を行った。また、可視光発生に有利な波長１μm帯のモード同期Ybドープ・ファイバレーザーによる高繰り返し光周波数コムの高出力化をさらに進めた。レーザー共振器からの直接出力640 mWを分岐し、光周波数コムの制御のために600 mWを用いた残りの40 mW出力をシード光として、Ybドープファイバを用いた2段光増幅器を作製した。プリアンプを最適化すると共に、ラージコアファイバを用いて高効率な主増幅器を作成し、安定な10 Wの出力を得た。その結果、RFコムが明瞭に検出され光周波数コムとしての性能を保ったままの高出力増幅が確認されると同時に、パルス圧縮により100 fsレベルの超短パルスが得られ、さらなる光コムの広帯域化の見通しを得た。
宇宙の加速膨張の直接検出の理論的検討については、(1)プランク衛星による温度揺らぎのデータとBAOのデータをもとに、重力定数の時間変化の新しい制限(0.2%以下)を与えた。(2)回転する輻射流体の重力崩壊におけるブラックホール形成の数値計算の結果をもとに、原始ブラックホールの角運動量分布関数を求めた。原始ブラックホールはほとんど回転しない（Kerrパラメーターにしてせいぜいa<0.4程度)ことがわかった。
銀河間物質の3次元構造の解明で必要になる多視線分光観測においては、重力レンズクェーサーを用いた多視線分光観測を継続し、その結果を2報の学術論文として報告した。個々の銀河を取り巻く銀河周辺物質（CGM）やクェーサーから噴き出すアウトフローガスの内部構造探査に有効な手法である。背景光源数を増やすことにより、銀河間物質(IGM)のトモグラフィーも可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本プロジェクトで製作する光コムシステムについては、波長1.5μm帯のファイバ結合型光共振器を新たに設計・製作し、90%程度と良好な結合系透過率を得た。また、共振器ミラー、および制御用電歪素子を実装し、共振器一段あたり20 dB以上の計算通りのサイドモード抑圧比を観察し、波長40 nm（周波数で5THz）以上にわたる十分な切り出し波長帯域が得られている。また、高分散分光器の波長校正に適した高繰り返しかつ長期安定な光コム光源の検討において、その可能性として有力な波長1μm帯を発生するモード同期Ybファイバレーザーによる光周波数コムを高性能を保ったまま高出力化した。とくに、波長校正の高分解能化に必要な光コムの高繰り返し化技術においては、パルスのピークパワーが低くなるため更なる非線形光学効果による広帯域光発生のためには高品位を保ったままの高出力化が必要となるが、そのための見通しを得た。
赤方偏移の時間変化の観測による宇宙の加速膨張の直接検出の可能性の検討では、数値シミュレーションの進行に少し遅れがあるが、大規模構造の密度分布による吸収線系への特異速度および特異加速度の効果を見積もることができた。
銀河間物質（IGM）の３次元構造の解明については、比較的小スケールの天体を対象とした多視線分光観測の有効性の検証を進めている。「宇宙膨張」および「微細構造係数の時間変化」については、その直接検出に必要な分光データの波長変化を捉える効果的な手法の検討を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
波長1.5 μm帯において、光共振器による光コム切り出し、および光増幅による光コムの強度増幅を多段化し、間隔周波数25 GHz程度、サイドモード抑圧比60 dB程度の光コムを発生させ、可視波長帯（目標：380-700 nm）へ波長変換する。また、共振器の安定性を向上させるため、電通大においてモード同期ファイバレーザを高出力化する。そして、全体のシステムを産総研内で完成させ、すばる望遠鏡設置を見据えた試運転を行う。また、高繰り返しモード同期Ybファイバレーザーの高出力化により、高効率な非線形光学効果を用いてさらなる広帯域化を行い、光コムとしての低ノイズ性、高コヒーレンス性を実現する。同時に、光源システムの応用性を高めるために、増幅システムを含めたトータルな環境安定化を図り、安定かつ低ノイズな高出力コムを発生させる。
宇宙の加速膨張の直接検出の理論的検討については、天の川銀河の長期における運動の効果を評価し、実際の観測に即した系統誤差を詳細に評価する。
TMT時代に取り組むべき３つのテーマのうち「IGMトモグラフィー」については、多視線分光観測による有効性の検証を継続する。「宇宙の加速膨張の直接測定」および「物理定数の時間変化に対する制限」については、光周波数コムの導入を最大限に活かせる解析手法の検討を進める。
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