光波の時空間における計測・変調・制御を駆使した地球型惑星検出に迫るイメージング

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 散乱・揺らぎ場の包括的理解と透視の科学
• 研究課題/領域番号: 20H05893
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 早野 裕 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (80390623)
• 研究分担者: 入部 正継 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (60469228) ; 西川 淳 国立天文台, TMTプロジェクト, 助教 (70280568)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: 観測天文学 / 太陽系外惑星

研究実績の概要

2020年度に実施したことは以下のとおりです。
空間光変調を与えた時間変動スペックルの測定誤差・補正性能の数値シミュレーションを開始し、新たに発案したアルゴリズムである、撮像面におけるスペックルの電場に対して、変調なし、次にそれぞれ直交する電場ベクトルを正負の2つの変調を順に与えた5つの状態を1セットとして、これを繰り返す。それぞれの状態の時の撮像面の強度を時間平均し、5つの平均測定量の演算からスペックル強度を求め、推定したスペックルを補正する。数値シミュレーションでは、補償光学補正後の光波の残差、大気揺らぎの時間スケール、変調量、スペックルの光強度、平均する時間などをパラメータにし、フォトンノイズ、検出器の読み出しノイズなどの誤差要因も加味し、パラメータの依存性が把握できてきている。その結果を論文にまとめ始め、ドラフトが完成した。
次に数値シミュレーションの結果を踏まえて、実験室実証及びすばる望遠鏡での実証観測に必要な位相変調素子(可変型鏡)、撮像系(高速カメラ)、制御系(FPGA)などについて仕様作成を進めた。制御系に用いるFPGAを入手し、初期的な試験を実施した。高速カメラはコロナ禍による部品調達の遅れで次年度に入手するため予算を繰り越した。可変型鏡は次年度の購入に向けた仕様書を作成し、可能性のある製作業者のリサーチを行なった。また、補助的なコンポーネントとして、補償光学補正後のわずかな光波誤差をシミュレートする安定化レーザー光源、光波誤差を発生させるための位相変調素子などの仕様を検討した。
一方、領域で連携する他の計画研究のチームとの共同研究について議論を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1. 空間光変調を与えた時間変動スペックルの測定誤差・補正性能の数値シミュレーションの結果の論文化については、ドラフトが完成し、計画研究メンバー及び研究協力者で推敲を行っている。
2. コロナ禍による物品調達の遅延による高速カメラ予算の繰越など多少の影響を受けた。一方、国立天文台先端技術センターに実験スペースを申請し、確保することができた。
3. 領域融合推進班メンバーや共同研究者とのface-to-faceの会合が制限されたため、なかなか議論を深めることができなかったため、新しい共同研究の進捗は 捗々しくなかった。今後のコロナ禍の状況の改善に期待したい。

今後の研究の推進方策

空間光変調を与えた時間変動スペックルを用いた主星のスペックル誤差推定とその補正の数値シミュレーションをさらに進めて、論文を投稿する。また、その原理を実証する実験系の設計に予定通り取り掛かる。実験系の主要要素となる可変型鏡、高速カメラ、FPGA制御系に加えて、光源、レンズや鏡などの光学系、評価用のカメラ、実験補助品などを順次整備していく。一方で、共同研究を進める京都大学のせいめい望遠鏡への搭載を目指した検討、ハワイ観測所すばる望遠鏡の太陽系外惑星研究のためのコロナグラフ極限補償光学グループ(Subaru Coronagraph Extreme Adaptive Optics)へのアルゴリズム実装を目指した検討を開始する。また、他の計画研究のメンバーと共同研究の議論をオンラインで開始する。特に、大阪大とは天体から大気、望遠鏡観測装置までのデジタルツインモデルの構成の議論を開始する。また、電通大、東海大とはレーザー空間通信への応用を含めた連携を模索する。

研究成果

• [雑誌論文] First Detection of Hydroxyl Radical Emission from an Exoplanet Atmosphere: High-dispersion Characterization of WASP-33b Using Subaru/IRD (2021)
  • 著者名/発表者名: Nugroho, S. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letter 巻: 910 ページ: L9
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abec71
• [雑誌論文] Precise control of negative thermal expansion in stainless invar type alloy for astronomical telescopes (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujii, H. T., Sakaguchi, N., Ona, K., Hayano, Y., Uraguchi, F.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11451 ページ: 1145118
  • DOI: 10.1117/12.2561193
• [雑誌論文] The use of random phase patterns composed of huge number of elements for wavefront reconstruction in adaptive optics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamashtia, H., Takayama, Y., and Hayano, Y.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11448 ページ: 114481Q
  • DOI: 10.1117/12.2561208
• [雑誌論文] Precision radial velocity measurements by the forward-modeling technique in the near-infrared (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirano, T. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 ページ: 93
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa085
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Zodiacal exoplanets in time - XI. The orbit and radiation environment of the young M dwarf-hosted planet K2-25b (2020)
  • 著者名/発表者名: Gaidos, E. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 498 ページ: L119-L124
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slaa136
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of a hot, transiting, Earth-sized planet and a second temperate, non-transiting planet around the M4 dwarf GJ 3473 (TOI-488) (2020)
  • 著者名/発表者名: Kemmer, J. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 642 ページ: A236
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202038967
• [雑誌論文] Limits on the Spin-Orbit Angle and Atmospheric Escape for the 22 Myr Old Planet AU Mic b (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirano, T. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 899 ページ: L13
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aba6eb
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Zodiacal exoplanets in time - X. The orbit and atmosphere of the young 'neptune desert'-dwelling planet K2-100b (2020)
  • 著者名/発表者名: Gaidos, E. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 495 ページ: 650-662
  • DOI: 10.1093/mnras/staa918
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Combination of apodized pupil and phase mask coronagraph for SCExAO at Subaru Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa, J., Murakami, N., Lozi, J., Guyon, O., Habu, K., Ichien, H., Yoneta, K., Sudoh, S., Kumaki, K., Kumagai, S., Jovanovic, N., and Martinache, F.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11447 ページ: 114474T6
  • DOI: 10.1117/12.2560839
  • 国際共著
• [雑誌論文] Construction of EXIST (Exoplanet Imaging System Testbed) toward future space coronagraphs (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami, N., Yoneta, K., Ichien, H., Sudoh, S., Habu, K., and Nishikawa, J
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11443 ページ: 114432M
  • DOI: 10.1117/12.2560450
• [雑誌論文] Status of the SCExAO instrument: recent technology upgrades and path to a system-level demonstrator for PSI (2020)
  • 著者名/発表者名: Lozi, J. et al. (共著者 Nishikawa, J.)
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11448 ページ: 114480N
  • DOI: 10.1117/12.2562832
  • 国際共著
• [雑誌論文] The South Africa Near-Infrared Doppler (SAND) instrument: concept and instrument design (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, A., Kotani, T., Nishikawa, J., Ueda, A., Kuzuhara, M., Tamura, M., Nagayama, T., Kurita, M., Sumi, T., Yamamuro, T., Sato, B., Hirano, T., and Omiya, M.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer). 巻: 11447 ページ: 114473E
  • DOI: 10.1117/12.2560342
• [学会発表] 高コントラスト観測システムテストベッド EXIST の開発 2 (2021)
  • 著者名/発表者名: 米田謙太，村上尚史，一圓光，小池隆太，須藤星路，西川淳
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] 南アフリカ望遠鏡用近赤外高分散分光器の開発：装置概要と進捗状況 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋葵, 小谷隆行, 西川淳, 上田暁俊, 葛原昌幸, 田村元秀, 永山貴宏, 栗田光樹夫, 住貴宏, 山室智康, 佐藤文衛, 平野照幸, 大宮正士
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] 連星系における系外惑星探査のためのダークホール技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小池隆太, 米田謙太, 村上尚史, 西川淳
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] 補償光学装置の制御における一般逆行列の精度による影響の検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋陸，入部正継
  • 学会等名: 2020年度計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
• [学会発表] 高コントラスト観測システムテストベッド EXIST の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 米田謙太，村上尚史，一圓光，小池隆太，須藤星路，西川淳
  • 学会等名: 日本天文学会2020年秋季年会