2018 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プロジェクト, 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, 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 |
モード同期Erドープ・ファイバレーザー、多段増幅系、光共振器により、出力1 W程度、時間幅200 fs程度の超短光パルス出力を得ると共に、波長1.35～1.7μmに広がる広帯域光コムを得た。また、新規開発したフィネス100、三段の光共振器により、繰り返し周波数24 GHz、不要モード抑圧比60 dBの光コムを得ることに成功した。
共振器内に剛性を高めたピエゾ素子を組み込むことにより高速制御を実現し、光コムモードの低ノイズ化を実現した。同時にプリチャープと光増幅、およびパルス圧縮の最適化によって高出力10 Wとペデスタルの少ないクリーンなサブ100 fsパルス出力を得た。また、波長1.5 μm帯の光コムの切り出しにおいて、長期安定性の向上に資する全光ファイバベースの光共振器を開発し、11倍の増倍率を実現した。
ストカスティックな背景重力波について、様々な生成機構の違いを考慮したスペクトルを分類し、これまで仮定されていたsingle power-lawではなく折れ曲がりのあるbroken power-lawで近似できることがわかった。重力波の生成機構毎に可能なスペクトル指数を求め、地上重力波観測所や将来の重力波衛星によるスペクトル指数の決定精度を予測した。Planck衛星による宇宙背景放射の揺らぎの解析から決定された密度揺らぎのスペクトル指数を再現するf(R)重力インフレーションモデルの分類を行ない、可能な関数形は曲率スカラーRが大きい極限ではすべてR2に漸近することが分かった。
宇宙加速膨張を直接測定するためには、わずかな視線速度の変化を検出する必要がある。クェーサーから噴き出すアウトフローガスは、輻射圧によって加速されているため、比較的短い時間スケールで視線速度が変化しうる。10年以上に渡るモニター観測から速度変化を検出する手法を確立し、学術論文として報告した。
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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
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開発において、本プロジェクトで実戦配備が想定される波長1.5 μm帯を発生するモード同期Erファイバレーザーによる光周波数コムの高繰り返し化、スペクトル広帯域化、および不要モード抑圧比向上を実現した。この結果により、最終年度にすばる望遠鏡に光コム装置を搭載するめどが立った。光コム光源として有力な波長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の高出力化と低ノイズ化を実現した。高出力化は共振器安定化信号の高強度化による安定化に寄与し、低ノイズ化は制御のロバスト性に資するため、重要である。同時に、波長1.5 μm帯において光ファイバのみで構成された光共振器の開発に成功したが、全ファイバ構成は環境への安定性に優れるため、光コム切り出し共振器の長期安定化に寄与する。
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、赤方偏移の時間変化に対する系統誤差として考えるべき対象が明らかになった。
「銀河間物質（IGM）の３次元構造の解明」については、重力レンズクェーサーを用いた多視線分光観測から小スケールにおける可能性を検討した。「宇宙膨張」および「微細構造定数の時間変化」については、検出に必要な分光データの波長（速度）測定精度を向上させる手法の開発を継続して行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
光共振器の切り出し次数を最適化して、広帯域化および高分散分光器の校正に適合した繰り返し周波数および不要モード抑圧比を得る。また、ハワイ観測所のすばる望遠鏡に搭載するため、自動リロック、遠隔操作なども含めた耐環境性向上に努める。
高分散分光器の校正に必要な高繰り返し光源システムの応用性をさらに高めるために、環境に対するロバスト性向上に努める。そのために、光コムの切り出しのための光共振器の更なる環境安定化を図る。制御信号強度の向上のために共振器のフィネス向上を実現するほか、環境変動に対する共振器長のアクティブな安定化技術を開発する。
赤方偏移の時間変化に対する局部銀河群についての影響を評価したい。
現実的な観測計画に基づいて、TMTと可視レーザーコムの組み合わせによって、宇宙加速膨張から予想される数cm/sの速度変化の検出が可能かどうかを検証する。具体的には、Lya forestを利用して Sandage-Loeb test を行う場合に必要な分光データのクオリティ、天体数、時間間隔等を疑似スペクトルを使って評価する。
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[Presentation] TMT計画 進捗報告2019
Author(s)
臼田知史, 家正則, 青木和光, チャップマン純子, 山下卓也, 齋藤正雄, 遠藤立樹, 岩田生, Henry Yang, Edward Stone, Gary Sanders, Suijian Xue, Eswar Reddy, Gregory Fahlman
Organizer
日本天文学会春季年会
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[Presentation] Erbium-Fiber-Based Visible Astro-Comb with 42-GHz Mode Spacing2018
Author(s)
Sho Okubo, Keisuke Nakamura, Malte Schramm, Hiroki Yamamoto, Jun Ishikawa, Feng-Lei Hong, Ken Kashiwagi, Kaoru Minoshima, Hironori Tsutsui, Eiji Kambe, Hideyuki Izumiura, Hajime Inaba
Organizer
Conference on Lasers and Electro-Optics 2018 (CLEO2018)
Int'l Joint Research
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[Presentation] TMT計画 進捗報告2018
Author(s)
臼田知史, 家正則, 青木和光, チャップマン純子, 山下卓也, 齋藤正雄, 遠藤立樹, Henry Yang, Edward Stone, Gary Sanders, Suijian Xue, Eswar Reddy, Gregory Fahlman
Organizer
日本天文学会秋季年会
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