2020 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Near-Infrared Tunable Filter for Research of Star-formation Activity by 3D Spectroscopy

Research Project

Project/Area Number	18H01249
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	高橋英則東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80361567)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	美濃和陽典国立天文台, ハワイ観測所, 准教授 (60450194) 児玉忠恭東北大学, 理学研究科, 教授 (80343101)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	チューナブルフィルター / 近赤外線 / 3次元分光 / 星形成活動 / 大質量星クラスター
Outline of Annual Research Achievements	本研究の課題は、赤外線観測用波長走査型フィルター(チューナブルフィルター)を開発し、大口径望遠鏡の観測装置の前置光学モジュールとして搭載、その実用可能性を示すことにある。科学的には、大規模星形成領域の物理状態を銀外系内の星団レベルから近傍・遠方銀河まで広い空間ダイナミックレンジを、近赤外線波長全域に渡って連続的に高空間分解能の観測を行い、星形成活動の物理過程を調査、大質量星や銀河の進化を解明することを最終的な目的としている。そのための開発要素として、近赤外線波長域に最適化された光学素子(エタロン)の設計・製作と波長走査のための駆動機構および測距機構の開発が必須となる。本研究ではこれまでに、(1) ファブリ・ペローエタロンの光学設計を行い、近赤外線波長全域(1-2.5ミクロン)に渡ってフラットな反射特性を低温で実現する大口径の多層膜を有した素子の製作に成功、(2) 平行におかれた2枚のエタロンの平行度を保持しつつ、微小距離の走査するための圧電素子(ピエゾ素子)の選定と入手、(3) 光学素子のギャップ間を測定、光学素子間隔調整へフィードバックするための静電容量センサーの選定と入手、(4) これらのコンポーネントを組みあわせたアルミニウム製の分光器試作モデルの製作、などが完了している。さらに (5) ピエゾ素子駆動と静電容量センサーによる測距をクローズドループ制御することで、常にエタロンの間隔・平行性を維持しながら波長走査を行う制御系の設計も並行して行なった。観測計画に関しては、共同研究者との協議は主にオンラインを通じて行われ、分光モジュールの完成後および観測運用の再開時に即時対応できるような準備を進めた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 新型コロナ感染拡大の煽りを受け、開発に重要である現場レベルでの設計内容の協議や製作・加工が進められなかった。オンラインでの打ち合わせを活用した情報交換等を行ったが、加工物、工作機械が手元にない状態では開発は困難と言える。また世界的な半導体不足により、精密測定機器や駆動素子の入手が困難であったことも研究が遅延した一因である。さらに装置開発に必須である材料の入手のおいて、材料の高騰もあり、必要な部材の入手にも手間取っている。その中でも、各種情報収集に努め、開発に必要な駆動素子やセンサーの選定を行うことで、分光器の製作に必要な各種コンポーネントの入手を行うことができた。引き続いてそれらを組み合わせたアルミニウム試作モデルの製作も行い、初号機の完成まで至った。さらに分光器として機械的動作を実現し、光学的性能を実現するための制御回路の概念設計も並行して行われた。観測計画に関しては、共同研究者との協議は主にオンラインを通じて行われ、分光モジュールの完成後および観測運用の再開時に即時対応できるような準備を進めた。
Strategy for Future Research Activity	これまでに分光器製作に必要なコンポーネントがほぼ入手できたことで、実際の分光モジュールの製作を進めることができる。具体的にはまずこれまでに完成している試作モデルを用いて分光器単体としての動作・機能試験を行い、機械的最適化を行うことから始める。実際の駆動では、光学的な仕様を満たす（あらゆる状態でも分光性能を維持する）ために、機械的変形を補正するフィードバック制御を行わなければならない。この制御系開発が分光性能ひいては観測性能の重要課題となる。これらをコントロールする制御系の具体的な開発（ボード製作、ソフトウェアの開発）を進める。分光器本体の機械的な最適化と制御系の製作が完了した後に、レーザー干渉計および分光光度計を用いて分光器としての性能評価試験を行う。実運用にはこの分光器を観測機器の一部として機能するような前置分光モジュール化が必要である。具体的に運用を行う望遠鏡、観測機器に最適化されたものである必要があるため、まずはそのサイトの調査や機械的設置のための図面上での確認とともに具体的な構造等の設計も行う。分光モジュール完成の後、速やかな観測を行うための具体的な観測計画も引き続き進める。特に初期観測として、分光モジュールの性能評価と科学的なアウトプットを両立するターゲット選定が重要である。これは研究分担者をはじめ、共同研究者との綿密な協議を進めておく。