Seeing Measurement by the Tohoku Univ. Antarctica DIMM 10月から行ってきたシーイング測定装置の開発について Hirofumi OKITA Astronomical Institute Tohoku Univ. (M1) 11/9/2018

・Introduction ・DIMM ・Making Tohoku-DIMM ・Observation ・Comparison 　　　~Why Antarctica?~ 　　　~Seeing~ ・DIMM ・Making Tohoku-DIMM 　　　 　　　~Hardware~ 　　　~Software~ ・Observation ・Comparison 　　　~Hiroshima DIMM~ ・Future work まず、イントロダクションとして、シーイングとは何か、を簡単に説明します。 次に今回DIMMを開発した動機、 そしてDIMMの原理の紹介、 開発した観測装置の概要 そして観測、データ解析と結果を紹介します。 最後にFuture Workとして、DIMMに関する今後の課題を説明していきたいと思います。 11/9/2018 Antarctica 40cm Telescope with the DIMM

Introduction ~Why Antarctica?~ The last window toward to the Universe Dome F (Japan) Dome A (China) Dome C (France/Italy) South Pole (USA) Showa Station (Japan) 1000km ☆ Plateau of Antarctica (plateau = highland) Cold (down to -80 degree Celsius) about 4000m above sea level ↓ 市川グループは南極に注目 南極 極めて寒い→乾燥 ブリザードは沿岸部、内陸は下降気流で安定、晴天率高い 宇宙に開かれた最後の窓 シーイングはドームCでは0.54秒、もっと標高の高いドームふじは？ DIMMを開発し、ドームふじが本当に良いサイトか検証 the Driest site on the Earth → IR Background is very low, and IR transmission is very high. (Barton et al.2005, Ichikawa’s report 2008) Advantage for InfraRed Astronomy 11/9/2018

Introduction ~Why Antarctica?~ ☆ Wind at Antarctica plateau Dome C summer winter Jet stream at Temperate Zone Geissler & Masciadri 2006 Katabatic wind Polar Vortex No Blizzard in the plateau 市川グループは南極に注目 南極 極めて寒い→乾燥 ブリザードは沿岸部、内陸は下降気流で安定、晴天率高い 宇宙に開かれた最後の窓 シーイングはドームCでは0.54秒、もっと標高の高いドームふじは？ DIMMを開発し、ドームふじが本当に良いサイトか検証 C A F SP Center of the polar vortex Hagelin et al. 2008 11/9/2018

Introduction ~Why Antarctica?~ Dome F (Japan) Dome A (China) Dome C (France/Italy) South Pole (USA) Showa Station (Japan) 1000km Cold high elevation dry weak wind Stable weather Downdraft ↓ 市川グループは南極に注目 南極 極めて寒い→乾燥 ブリザードは沿岸部、内陸は下降気流で安定、晴天率高い 宇宙に開かれた最後の窓 シーイングはドームCでは0.54秒、もっと標高の高いドームふじは？ DIMMを開発し、ドームふじが本当に良いサイトか検証 Good seeing for example, Dome C ～0.4” above 30m (Agabi et al.2006) at 500nm Seeing size at Dome F ? 11/9/2018

Introduction ~seeing~ The Seeing is defined as FWHM of stars at long time exposure. Actually Seeing Rayleigh limit Subaru Telescope (D = 8.2m) 0.3” 0.7” 0.06” 0.02” An empirical diffraction limit is “Rayleigh limit”. at 2μm at 500nm まずシーイングとは、大気の・・・ 長時間露出したときの星の大きさをシーイングサイズと定義 ところで大気のない宇宙では？ 昴の理論分解能は2ミクロンで0.06秒 実際の観測結果では0.6秒 十倍なまされた光を見ている、細かい模様が見えない、暗い天体が検出できない シーイングの良いサイトを選ぶことが本質的に重要 However, because the turbulent bed exists in the atmosphere, the size of stars actually grows. http://subarutelescope.org It is important to choice Good Seeing Site. 11/9/2018

DIMM “Classical” DIMM(Differential Image Motiron Monitor) has 2 apature. Star light ↓ The phase shifts by air turbulence ↓ DIMM ↓ Image of two stars 長時間露出すればシーイングは得られる、が小型望遠鏡では追尾精度や震動の問題で難しい DIMM 大気を通過した経路の違う2つの星の相対運動でシーイングを測定 ↓ Measurement of relative position ↓ Convert them into seeing value 11/9/2018

DIMM D・・・Aperture Diameter d・・・separation two aperture →From 長時間露出すればシーイングは得られる、が小型望遠鏡では追尾精度や震動の問題で難しい DIMM 大気を通過した経路の違う2つの星の相対運動でシーイングを測定 D・・・Aperture Diameter d・・・separation two aperture →From We obtain Seeing size. 　　　　　 11/9/2018

Making Tohoku-DIMM ~Hardware~ Unlike a “classical” DIMM, Tohoku DIMM is “Four aperture DIMM” to get more information of a turbulence layer. Antarctica 40cm Telescope Aperture 400mm Focal length 5190mm DIMM Separation of diagonal apertures d 250[mm] Aperture diameter D 74mm[mm] Apex angle of Wedge prism 30[arcsec] 今回開発したDIMMは東大TAO計画のDIMMとほとんど同じ ソフトウェアはすでに東大で開発済み→短期間で観測可能に 最大の特徴は開口が2つではなく4つ それぞれ対角線2つの開口を用いてシーイングを測定 上空の風の影響を考慮する為 右の写真は屋上の小さいドームに納めてある40cm南極望遠鏡にDIMM板を取り付けた状態 Wat-100N (Watec Co., Ltd.) Min. 0.001 lx, and Exp. time/gain/gamma Manually changeable Pixel size Horizontal 0.3903[arcsec/pix] Vertical 0.4553[arcsec/pix] Expose time: 1/1000s 11/9/2018

Making Tohoku-DIMM ~Software~ Software was Developed by Dr. Motohara ( Research Associate, University of Tokyo) 今回開発したDIMMは東大TAO計画のDIMMとほとんど同じ ソフトウェアはすでに東大で開発済み→短期間で観測可能に 最大の特徴は開口が2つではなく4つ それぞれ対角線2つの開口を用いてシーイングを測定 上空の風の影響を考慮する為 右の写真は屋上の小さいドームに納めてある40cm南極望遠鏡にDIMM板を取り付けた状態 Dr.Motohara and UT-DIMM His Software From His software we can get analyzed data (seeing size [arcsec]) but zenith angle is not corrected, so I made some programs for zenith angle correction. 11/9/2018

Observation Jan 13 2008 Measurement of Pixel size Jan 16 2008 Observation at Sendai Feb 10 2008 Observation at Rikubetsu ( Hokkaido, the North island of Japan) Feb 14 2008 Observation at Rikubetsu まず観測装置のピクセルサイズを求める観測を行った 次に実際のDIMM観測 天頂付近のふたご座の星で観測、10分間 動画 参考までに土星 この観測で得られたシーイングは、およそ2秒 仙台としてはまあまあ良いほう？ これが今回の観測結果 Movies Star Saturn 11/9/2018

Observation Feb 10 2008 Observation at Rikubetsu Rikubetsu まず観測装置のピクセルサイズを求める観測を行った 次に実際のDIMM観測 天頂付近のふたご座の星で観測、10分間 動画 参考までに土星 この観測で得られたシーイングは、およそ2秒 仙台としてはまあまあ良いほう？ これが今回の観測結果 Average 1.49” Median 1.48” 11/9/2018

Comparison ~Hiroshima DIMM~ To check the Seeing Value is reasonable or not, we compare Tohoku DIMM with Hiroshima DIMM. まず観測装置のピクセルサイズを求める観測を行った 次に実際のDIMM観測 天頂付近のふたご座の星で観測、10分間 動画 参考までに土星 この観測で得られたシーイングは、およそ2秒 仙台としてはまあまあ良いほう？ これが今回の観測結果 Hiroshima Univ. DIMM Jul. 13 2008, 4hour Oct. 3 2008, 4hour Oct. 9 2008, 7hour Oct.13 2008, 6hour 11/9/2018

Comparison ~Hiroshima DIMM~ Oct. 9 2008 まず観測装置のピクセルサイズを求める観測を行った 次に実際のDIMM観測 天頂付近のふたご座の星で観測、10分間 動画 参考までに土星 この観測で得られたシーイングは、およそ2秒 仙台としてはまあまあ良いほう？ これが今回の観測結果 histogram shape Ave./Med. value →　Good agreement 11/9/2018

Future Work More Observation change in a day change in a season Cold Test Camera AD converter PC ,etc. 今回のDIMM観測はまだ試験的要素が多い 観測時間をもっと長く、もっと長期に 正しいシーイング値を測定できているか、広大DIMMと比較観測 得られたシーイング値から上空の風向等がある程度わかる 露出時間によってもシーイングは異なる 南極用に開発したDIMMなので、シーイングサイズが1.8秒より大きいと正しい値を得られないかも？ これらの効果を南極に行くまでにきちんと検証し、また仙台での観測を続け、 南極でのサイト調査を成功させたい。 以上 We observe more and more at Sendai, and get knowhow and technique. ↓ 2010　Observation at Dome Fuji 11/9/2018

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Science by AIR-T40 Antarctic Infra-Red Telescope 40cm Telescope on the 5m tower Aperture : 400mm Reyleigh limit : 0”.8(J-band), 1”.1 (H-band), 1”.4 (K-band) Winter Seeing : 1”.3(J-band), 1”.2 (H-band), 1”.1 (K-band) An original observation is H-band and K-band. Because of the poor resolution and observation in the surface layer, AIR-T-40 cannot make the best use of Antarctic good Seeing. ★Optical (0.5nm) Reyleigh limit is 0”.3 and daytime seeing is 0”.5 → the Solar observation ★long time (more than 3 months) darkness during the winter → the Transit Search for extrasolar planets 11/9/2018

AIR-T-2K (Antarctic Infra-Red Telescope 2000mm) Future AIR-T-2K (Antarctic Infra-Red Telescope 2000mm) on the 30m tower Reyleigh limit : 0”.2(J-band), 0”.2 (H-band), 0”.3 (K-band) Winter Seeing : 0”.3(J-band), 0”.2 (H-band), 0”.2 (K-band) limiting magnitude (1hr, S/N=5 ) J-band ~ 23mag H-band ~ 22mag K-band ~ 23mag Ichikawa’s report the same as Subaru ★Wide Field Near Infra-Red Survey →Cosmic share →evolution of the galaxies →brown dwarf ★Transit Search Kurita mount 11/9/2018

Why Antarctica? Antarctica is always Blizzard? No, and it is only generated in the coast. http://en.wikipedia.org/wiki/Showa_Base Internal Antarctic plateau is calm in all seasons. ★National Institute of Polar Research (Japan) own Dome Fuji station. Dome Fuji station very cord (Ave. -58℃) high altitude 3810m Dry < 0.6mmPWV IR Background is very low, and NIR transimittance is very high → calm weather wind speed 3m/s always downdraft >75% fine days <0”.5 good seeing → Antarctic plateau is one of the best site for ground-base astronomy. 11/9/2018

Theory (1) Star light at Space・・・Parallel Air turbulence・・・wavefront ↓ Air turbulence・・・wavefront ・・・phase error Angle of arrival fluctuation・・・ 宇宙からの光　平面波 大気によって波面が乱れるz(x,y) この結果生じる光の進行方向のズレα αが知りたい αの共分散、φの共分散、構造関数Dを定義、コルノニコフ乱流を仮定してこれらの関係式を作る ・・・Covariance of α ・・・Covariance of φ ・・・Phas structure function Kolmogorov turbulence　→ 11/9/2018

Theory (2) Relationship between and FWHM Zenith angle correction・・・ Change the angle of arrival fluctuation 　　= Change in position of stars Relationship between and FWHM Zenith angle correction・・・ It calculates… αが星の瞬き 望遠鏡の追尾エラーなども含めた値 キャンセルする為、2つの差分Δαをとる、この2乗が得られるシーイングの2乗 瞬間の星の位置変動と長時間露出したときのシーイングサイズの関係式は 0.98何とか 天頂角の補正も加える よって、以下の式 これに各パラメーター、観測結果を代入→シーイングが得られる D・・・Aperture Diameter d・・・separation two aperture →From We obtain Seeing size. 　　　　　 11/9/2018