2020 Fiscal Year Annual Research Report
ハビタブル惑星探査時代に向けたスペースコロナグラフ技術の開発
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19H01932
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村上 尚史 北海道大学, 工学研究院, 講師 (80450188)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西川 淳 国立天文台, TMTプロジェクト, 助教 (70280568)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 太陽系外惑星 / コロナグラフ / バイオシグネチャー / 補償光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、系外惑星（太陽以外の恒星がもつ惑星）を目指した将来のスペースコロナグラフ時代において我が国が重要な技術的貢献を果たすため、高い性能を誇る独自の高コントラスト観測技術を獲得することである。その究極の科学目標は、地球に似た環境の系外惑星を発見し、その分析により生命の証拠（バイオシグネチャー）を検出することである。微弱な惑星光を検出するためには、そのすぐ近くに存在する明るい恒星光を強力に除去する必要がある。特に、太陽型星のハビタブルゾーン（惑星が液体の水を保持できる領域）に地球型惑星を検出するためには、10桁オーダーの恒星光除去性能（コントラスト）を実現する必要がある。
本研究課題で開発する要素技術として、(1) 恒星光を強力に除去するフォトニック結晶焦点面位相マスク、(2) 焦点面位相マスクを任意の望遠鏡に搭載できるようにする瞳面アポダイザ、(3) 観測装置内の光学素子の面粗さに起因する恒星残留ノイズを除去する光波面補正技術（ダークホール技術）、などを計画している。
2020年度の主な実績の概要は、以下の通りである。(1)については、これまでに設計した多層広帯域8分割位相マスクの知見をもとに、将来のスペース計画において有力とされる別種の位相マスク（6次渦位相マスク）の設計を行った。(2)については、これまでに設計・開発した瞳面アポダイザを8分割位相マスクと組み合わせた室内試験を実施し、観測性能の詳細な評価を行った。(3)については、光波面補正デバイスとして空間光変調器(SLM)を用いたダークホール技術の開発を推進した。具体的には、性能（位相分解能）の劣る波面補正デバイスで高いコントラストを実現する新たな補正アルゴリズムの実証試験、連星系まわりの惑星探査を目指したダークホール技術の検討などを実施した。
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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
(1)の焦点面位相マスクの開発ではこれまで、フォトニック結晶波長板を多層化することにより、広い観測波長域で有効な8分割位相マスクの開発を推進してきた。2020年度は、別種のマスク設計として6次渦位相マスクの設計を行った。渦位相マスクとは、恒星像に対して一周2πの偶数倍の位相を与える光学デバイスである。将来のスペース計画では、6次渦位相マスクが検討されていることから、本研究でもフォトニック結晶による6次渦位相マスクの設計に着手した。与えられた波長域で性能が最大となるようにパラメータの最適化をすることにより、広い波長域で強力な恒星光除去が期待できる設計解を得た。
(2)の瞳面アポダイザの開発では2019年度に引き続き、導入したワークステーションによるさまざまなアポダイザの設計および、これまでに開発した瞳面アポダイザを8分割位相マスクと組み合わせた性能評価を推進した。さらに、スペース望遠鏡だけでなく、将来の地上超大型望遠鏡での惑星探査に向けたアポダイザ設計も併せて推進した。
(3)のダークホール技術では、波面補正デバイスとしてSLMを導入した室内試験などを実施した。また、2019年度に新たに提案した、位相分解能の劣る波面補正デバイスで高いコントラストを実現する補正アルゴリズムについて、計算機シミュレーションにより、最適な波面制御パラメータの探索を行った。また室内実証試験にも着手し、提案するアルゴリズムの有用性が実証されつつある。本開発により、実験室において定常的に8桁レベルのコントラストが得られる環境が整った。また、これまでは単一星まわりの惑星探査を検討してきたが、新たに連星系の観測も視野に入れた検討も行い、2020年度は主に計算機シミュレーションによる波面補正の実現性などについて調査した。
これらの進捗は、当初の研究計画と比べても順調であると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019-2020年度の活動を通じて、高コントラスト観測技術の研究開発の場として2つの設備の整備を行った。一つは高コントラスト観測のための個々の要素技術を開発するための設備FACET (FAcility for Coronagraphic Elemental Technology)、もう一つはFACETで開発した要素技術を統合した観測システムテストベッドEXIST (EXoplanet Imaging Testbed)である。今後の方策としては、整備したこれらの施設を活用し、計画している開発項目の研究をさらに強力に推し進める。
具体的には、FACETに白色光源を導入し、開発した多層広帯域マスクの性能評価を実施するための環境を整備する。特に、開発するマスクの恒星除去性能が向上するほど、評価系には高い精度が要求され、測定ノイズを低減するためのさまざまな方策の検討が必要である。また開発した焦点面位相マスクと瞳面アポダイザ、ダークホール技術を統合した観測システムをEXISTに構築し、さらに高いコントラストの実現を目指す。また上述以外にも、さまざまな種類のコロナグラフの試験を実施する。
2020年度に実施した連星系における惑星探査のシミュレーションを受けて、今後は主にFACETにおいて提案する連星系観測法（連星の2つの恒星の光波面を同時に計測・補正する手法）の実証実験と性能評価を行う。さらに、広い波長域にわたり惑星探査を可能にするため、新たな手法であるSDU (Spectral Division Unit)を提案しており、EXISTにそのシミュレータを構築中である。今後は、SDUの実証試験を実施し、広帯域ダークホール制御の実証を目指す。このような技術が実現されれば、惑星光の広い波長域にわたる同時分光観測が可能となり、バイオシグネチャー探査の強力なツールになると期待している。
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[Journal Article] Combination of apodized pupil and phase mask coronagraph for SCExAO at Subaru Telescope2020
Author(s)
Jun Nishikawa, Naoshi Murakami, Julien Lozi, Olivier Guyon, Keiichiro Habu, Hikaru Ichien, Kenta Yoneta, Seiji Sudoh, Kosuke Kumaki, Shiomi Kumagai, Nemanja Jovanovic, Frantz Martinache
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Journal Title
Proceedings of the SPIE
Volume: 11447
Pages: 114474T-1-6
DOI
Int'l Joint Research
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[Presentation] Combination of apodized pupil and phase mask coronagraph for SCExAO at Subaru Telescope2020
Author(s)
Jun Nishikawa, Naoshi Murakami, Julien Lozi, Olivier Guyon, Keiichiro Habu, Hikaru Ichien, Kenta Yoneta, Seiji Sudoh, Kosuke Kumaki, Shiomi Kumagai, Nemanja Jovanovic, Frantz Martinache
Organizer
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2020
Int'l Joint Research
