| 研究課題/領域番号 |
19H01932
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
村上 尚史 北海道大学, 工学研究院, 講師 (80450188)
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| 研究分担者 |
西川 淳 国立天文台, TMTプロジェクト, 助教 (70280568)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
本研究課題の目的は、系外惑星（太陽以外の恒星を公転する惑星）探査を目指した将来のスペース観測時代に向けて、優れた観測性能を誇る独自の観測技術を獲得することである。究極の科学目標は、ハビタブルゾーン（液体の水を保持できる領域）に地球型惑星を直接検出し、分光観測などの分析によりバイオシグネチャー（生命の痕跡）を検出することである。このような観測のためには、惑星に比べて極めて明るい恒星光を強力に除去する「高コントラスト観測技術」が必要不可欠である。ハビタブル地球型惑星を検出するためには、10桁オーダーの恒星除去性能（コントラスト）が必要と言われる。本研究課題では、(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）などの要素技術開発を計画している。
2021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、広い波長域にわたる惑星観測を目指して開発を進めている多層位相マスクについて、恒星除去性能や光波制御性能の実験的評価および理論的考察などを行い、問題点の洗い出しを行った。(2)については、開発進捗の都合上、推進する項目は特になかった。(3)については、2020年度より引き続き、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。特に、位相マスク法とは異なるコロナグラフ法と組み合わせた技術実証、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室内実証実験、多波長でのダークホール制御を目指した新手法の検討などを実施した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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)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。2021年度は、これまでに試作した多層マスクに対し、多波長レーザーや広帯域光源を用い、恒星除去性能の波長特性評価を行った。開発している位相マスクは、偏光フィルタリング（マスクを直交する直線偏光子で挟むこと）により、広帯域性能を理論上さらに高めることができると期待される。そこで、偏光フィルタリングがある場合とない場合で、恒星除去性能を可視域にわたり評価した。その結果、偏光フィルタリングを用いた単層マスクが最良の性能を示した。しかしながら、将来のスペース観測時代に向けて、偏光フィルタリングを用いた多層マスクでの性能向上が重要であるとの認識をもっており、試作した多層マスクを詳しく評価するための測定系の構築にも着手している。
(2)については、2021年度は推進する項目が特になかったが、上記の開発を受けて2022年度は、瞳面アポダイザと位相マスク、さらにはダークホール制御を組み合わせたシステム全体の試験を実施したいと考えている。
(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を実施した。特に、他のコロナグラフ手法でのダークホール制御の実証や、単一星ではなく連星系まわりの惑星探査を視野に入れた制御技術の開発を推進した。室内実証試験により、2つの恒星モデルからの光を強力に除去し、連星系まわりにおいて8桁オーダーの高コントラスト観測の室内実証に成功した。
これらの進捗を総合すると、当初の研究計画を鑑みて、おおむね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019-2021年度の活動を通じて、高コントラスト観測の将来技術の研究開発拠点として、2つの観測シミュレータの整備を行ってきた。一つは、観測要素技術を開発するためのFACET (FAcility for Coronagraphic Elemental Technology)、もう一つは、システムレベルの技術試験を実施するEXIST (EXoplanet Imaging System Testbed)である。2021年度の成果を得るうえで、これらを拠点とした開発研究が定常的に行える体制が整った。2022年度も、これらの設備を活用した独自の観測技術の開発研究を推し進めていきたい。
2022年度に検討している方策としては、多層位相マスクによる高い観測性能（高い恒星除去性能、広い有効波長域）を目指し、多波長試験などの評価を継続することで、今後のマスク試作へと繋げるための知見を得る。また、位相マスクと瞳面アポダイザ、さらにはダークホール制御を組み合わせたシステムレベルでの室内実証試験を推進したい。ダークホール制御技術については、2021年度の開発を受けて、連星系まわりの惑星探査技術の実証をさらに推し進める。特に、連星系の複数の恒星の残留ノイズ電場を効率的に測定するため、新たな波面センシング法の原理実証試験を実施する。さらに、広い波長域にわたるダークホール制御を可能にするための新たな手法も提案しており、そのプロトタイプ機をEXIST内に構築している。2021年度にすでに実証試験に着手しているが、2022年度は本試験を継続し、広い波長域にわたり高いコントラスト（8桁オーダ―）の実証を目指す。
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