ミリ波補償光学の創成

• 研究課題/領域番号: 20K20287
• 補助金の研究課題番号: 17H06206 (2017-2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2017-2019)
• 研究分野: 天文学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 田村 陽一 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (10608764)
• 研究分担者: 川邊 良平 国立天文台, 科学研究部, 教授 (10195141)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2017年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円)
• キーワード: 電波天文学 / 補償光学 / ミリ波 / 電波望遠鏡 / 計測工学

研究開始時の研究の概要

本研究課題では、既存あるいは将来の地上ミリ波サブミリ波望遠鏡に搭載し、風負荷・熱変形等による鏡面精度の低下を実時間で補償する光学システム「ミリ波補償光学」の創出を目指した波面計測システムの基礎研究を実施する。研究計画では、電波天文学のネイティブな波面計測技術である電波干渉法を用いた波面計測法をあらたに考案し、その実証機の開発を推進する。開発した波面計測システムを野辺山45m望遠鏡に搭載して、40ミクロン(rms)の精度で実時間の波面測定が可能なことを実証する。この技術の確立により、世界中の電波望遠鏡の性能の向上に道筋をつける。

研究成果の概要

電波望遠鏡の建設に際し鏡面精度を担保したままアンテナを大口径化・高周波化することは、あらたな天文学領域を開拓するうえで重要である。本研究では、既存あるいは将来の地上ミリ波サブミリ波望遠鏡に搭載し、風負荷・熱変形・重力変形による鏡面精度の低下を実時間で補償する光学システム 「ミリ波補償光学」の基礎研究を行った。本研究では、電波天文学のネイティブな波面計測技術である開口合成干渉法を利用した波面計測システムを提案し、低周波数(20GHz)かつ少数素子(5素子)の波面計測システムを開発し、野辺山45m望遠鏡に搭載した。この結果、8 μm r.m.s.の精度で実時間の波面測定が可能なことを実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ミリ波・サブミリ波は、あらゆる天体の材料であるガスや塵や、高温のプラズマの検出に長けている。ミリ波補償光学の実現は、将来の大型サブミリ波望遠鏡の実現に直結し、引いては世界最大のサブミリ波干渉計ALMAと同等の集光力を持ちながら、視野を10^6倍に、分光帯域幅を10^2倍に拡大する、電波天文学の悲願ともいえる宇宙探査性能の獲得につながると期待される。これは、惑星科学、星形成論、星間化学、宇宙マイクロ波背景放射や銀河・銀河団の探索とそれを用いた宇宙論研究など、波及効果が高い。本研究成果は、既存・将来のミリ波・サブミリ波望遠鏡の大型化・高周波化に分け隔てなく応用し、性能を向上させることが可能である。

研究成果

• [国際共同研究] INAF(イタリア)
• [雑誌論文] Wavefront sensor for millimeter/submillimeter-wave adaptive optics based on aperture-plane interferometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Tamura, Ryohei Kawabe, Yuhei Fukasaku, Kimihiro Kimura, Tetsutaro Ueda, A. Taniguchi, N. Okada, H. Ogawa, I. Hashimoto, T. Minamidani, N. Kawaguchi, N. Kuno, Y. Togami, M. Hagimoto, S. Nakano, K. Matsuda, S. Okumura, T. Nakamura, M. Kurita, T. Takekoshi, T. Oshima, T. Onishi, K. Kohno
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11445 ページ: 263-263
  • DOI: 10.1117/12.2561885
• [雑誌論文] The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) (2020)
  • 著者名/発表者名: Klaassen, Pamela D.; Mroczkowski, Tony K.; Cicone, Claudia; Hatziminaoglou, Evanthia; Sartori, Sabrina; De Breuck, Carlos; Bryan, Sean; Dicker, Simon R.; Duran, Carlos; Groppi, Chris; Kaercher, Hans; Kawabe, Ryohei; Kohno, Kotaro; Geach, James
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11445
  • DOI: 10.1117/12.2561315
  • 国際共著
• [雑誌論文] Wind- and Operation-Induced Vibration Measurements of the Main Reflector of the Nobeyama 45 m Radio Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: Masakatsu Chiba; Ikumi Hashimoto; Nozomi Okada; Hideo Ogawa; Ryohei Kawabe; Tetsuhiro Minamidani; Yoichi Tamura; Kimihiro Kimura
  • 雑誌名: Journal of Vibration Engineering & Technologies 巻: n/a 号: 6 ページ: 909-923
  • DOI: 10.1007/s42417-020-00202-9
  • NAID: 120006960129
  • 査読あり
• [学会発表] 大型サブミリ波望遠鏡LST計画とミリ波補償光学の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 国立天文台先端技術センター談話会
  • 招待講演
• [学会発表] The Large Submillimeter Telescope (LST計画) (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 2021年度宇宙電波懇談会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 VII. アンテナ鏡面－受信機間の超過経路長の測定による鏡面変形の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中野覚矢
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] ミリ波補償光学 (MAO) の実現に向けた波面センサーの開発と実証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中野覚矢
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム2021
• [学会発表] The Large Submillimeter Telescope (LST) (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Tamura
  • 学会等名: East Asia Submillimeter-wave Workshop 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Millimeter-wave adaptive optics for future large-aperture submillimeter telescopes (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 国立天文台野辺山宇宙電波観測所談話会
• [学会発表] 次世代大口径サブミリ波望遠鏡 Large Submillimeter Telescope (LST) ってなに？ (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 電波天文・干渉計サマースクール 2021
  • 招待講演
• [学会発表] Large Submillimeter Telescope (LST): 7. 望遠鏡仕様 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] Millimeter-wave Adaptive Optics for Future Large Submillimeter Telescopes (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Tamura
  • 学会等名: Joint ALMA Observatory APG Advanced Technical Talk
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] サブミリ波単一鏡の革新 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: サブミリ波単一鏡の革新で挑む，天文学の未解決問題
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Millimetric Adaptive Optics (MAO): Characterization of Wavefront Deformation with the Nobeyama 45 m Radio Telescope (2021)
  • 著者名/発表者名: 中野覚矢
  • 学会等名: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2021
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発: アンテナ鏡面－受信機間の超過経路長の測定による鏡面変形の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中野覚矢
  • 学会等名: 第22回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
• [学会発表] Millimetric Adaptive Optics: Current Status (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Tamura
  • 学会等名: ALMA/45m/ASTE Users Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 次世代大口径サブミリ波望遠鏡 Large Submillimeter Telescope (LST) ってなに？ (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: JCMT Workshop「北半球で口径最大&焦点面装置とっても充実サブミリ波単一鏡 JCMT を使ってみよう & 使い倒そう!!」
  • 招待講演
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 V. 野辺山45mミリ波望遠鏡における開口面干渉法波面センサの実証実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] Future Large Submillimeter Telescopes: Concept, Progress, and Developments (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Kawabe
  • 学会等名: Joint ALMA Observatory Technical Talk
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large Submillimeter Telescope (LST) 計画 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川邊 良平
  • 学会等名: 国立天文台研究集会「(サブ)ミリ波単一鏡の革新で挑む, 天文学の未解決問題」
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代大口径サブミリ波望遠鏡 Large Submillimeter Telescope (LST) ってなに? (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: JCMT Workshop「北半球で口径最大&焦点面装置とっても充実サブミリ波単一鏡 JCMT を使ってみよう & 使い倒そう!!」
  • 招待講演
• [学会発表] Wavefront sensor for millimeter/submillimeter-wave adaptive optics based on aperture-plane interferometry (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Tamura
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Millimetric Adaptive Optics: Current Status (2020)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 野辺山サイエンスワークショップ
• [学会発表] Large Submillimeter Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム2020年度 「極限性能で切り開く電波天文学」
  • 招待講演
• [学会発表] LST検討状況とB4R/LMTによる科学評価観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川邊 良平
  • 学会等名: Nobeyama Science Workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 III. 開口干渉型波面センサの概要 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 IV. 波面センサ用送信機サブシステムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 深作悠平
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] Large Submillimeter Telescope (LST): 4) Recent Progress (2019)
  • 著者名/発表者名: 川邊良平
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
• [学会発表] 野辺山45 m電波望遠鏡における主鏡の変形計測(2) (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本育実
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
• [学会発表] Millimetric Adaptive Optics: The Concept and Current Activities (2019)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: International Workshop on Submillimeter Astronomy (南京, 中国)
  • 国際学会
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 I. プロジェクトの概要 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 日本天文学会2018年春季年会
• [学会発表] ミリ波補償光学の開発 II. 波面センサ用GPU相関器 (2018)
  • 著者名/発表者名: 上田哲太朗
  • 学会等名: 日本天文学会2018年春季年会
• [学会発表] ミリ波補償光学の創成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウムFY2017
  • 招待講演
• [学会発表] Millimetric Adaptive Optics (2018)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: 台湾中央研究院天文及天体物理学研究所 special seminar (台北, 台湾)
  • 国際学会
• [学会発表] 野辺山45 m電波望遠鏡における主鏡の変形測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 橋本育実
  • 学会等名: 日本天文学会2018年秋季年会
• [学会発表] New 50-m-class single dish telescope: Large Submillimeter Telescope (LST) (2018)
  • 著者名/発表者名: 川邊良平
  • 学会等名: A workshop to discuss science/technical aspects of the Atacama Large-Aperture Submm/mm Telescope (AtLAST)
  • 国際学会
• [学会発表] Correlator for Millimetric Adaptive Optics (2017)
  • 著者名/発表者名: 上田哲太朗
  • 学会等名: ALMA/NRO/ASTEユーザーズミーティング
• [学会発表] Millimetric Adaptive Optics: Development of Microwave Wavefront Sensor (2017)
  • 著者名/発表者名: 田村陽一
  • 学会等名: Nobeyama/ASTE Single Dish Science Workshop (長野, 日本)
  • 国際学会
• [備考] Large Submillimeter Telescope
  • URL: https://www.lstobservatory.org/
• [備考] Millimetric Adaptive Optics (MAO)
  • URL: https://www.a.phys.nagoya-u.ac.jp/~ytamura/wiki/doku.php?id=research:mao