ガンマ線バースト残光の 可視・近赤外同時撮像観測計画

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1 ガンマ線バースト残光の 可視・近赤外同時撮像観測計画
「三つ目」望遠鏡 ガンマ線バースト残光の 可視・近赤外同時撮像観測計画 明野50cm光学望遠鏡の現状 河合誠之、　小谷太郎、　佐藤理江、　谷津陽一、　下川辺隆史、 片岡淳、　鈴木素子、　有元誠（東工大） 渡部潤一、福島英雄（国立天文台)、　森正樹 (東大宇宙線研） 柳澤顕史、吉田道利、清水康広、　長山省吾、　稲田素子、　服部尭、　 沖田喜一、小矢野久、泉浦秀行、　岡田隆史、渡邊悦二（国立天文台岡山)、 太田耕二（京都大）、　吉田篤正（青山学院大）、

2 GRB残光自動観測システムを構築中 「ガンマ線バーストの迅速な発見、観測による宇宙形成・進化の研究」
学術創生研究 （P.I.河合誠之） 「ガンマ線バーストの迅速な発見、観測による宇宙形成・進化の研究」 GRB残光地上観測 + GRB斥候衛星開発 GRB残光自動観測システムを構築中 岡山観測所: 50cm光学望遠鏡/3色カメラ cm近赤外望遠鏡/広視野カメラ 東大宇宙線研明野観測所:　50cm光学望遠鏡/3色カメラ 研究の目的： 高赤方偏移ガンマ線バーストの探索、GRB光度曲線の測定 50cm光学望遠鏡 　　 　　波長域、視野、検出限界、試験観測画像 3色カメラ 　　 　　構造、予想性能 明野50cm光学望遠鏡 まとめ

3 GRBの宇宙線研究に対する重要性 G~1000 超相対論的ジェット 中心核崩壊型超新星の理解に不可欠 宇宙初期：いつから宇宙線はあったのか？
最高エネルギー宇宙線の加速源? ニュートリノ源？　重力波源？ 中心核崩壊型超新星の理解に不可欠 (銀河系内宇宙線の加速源？） 宇宙初期：いつから宇宙線はあったのか？ 高赤方偏移GRB？

4 本研究の目標 衛星通報対応ロボット望遠鏡 ガンマ線バーストの初期残光を可視・近赤外バンドで同時多色撮像･測光する
多色測光によるGRBの赤方偏移決定 宇宙創生以来のGRB発生率（大質量星の生成率）の歴史 星、銀河の生い立ち GRB energetics GRB cosmology 多色同時の光度曲線 Jet break とCooling breakの検出、識別G, B, eB, ee, n 短時間変動の計測 逆行衝撃波成分 (閃光) の検出 衛星通報対応ロボット望遠鏡

5 ガンマ線バーストの 情報伝達 岡山 明野 観測衛星 ガンマ線バースト 位置情報 観測 地上局 その他 観測施設 インターネット
衛星運用センター ガンマ線バースト 連携ネットワーク

6 GRB030329（東工大屋上） 21:43 t0+1.1 hr 23:47 t0+3.2 hr 01:54 t0+5.3 hr 03:18

7 Fireball scenario of GRBs
Piran 2003

8 GRB041006 with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager on the TIT-OAO GRB 50cm telescope
9 arcmin. V-band R-band I-band DSS2 V Date-obs: T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)

9 Supernova connection established
GRB030329/SN2003dh Stanek et al. 2003 also Fynbo et al. Kawabata et al.

10 残光の光度曲線

11 Jet Break log time log flux opening angle » G-1

12 GRB030329 Lipkin et al. 2003

13 GRB with fast declining optical flash
GRB Fox et al. (2003) 1 min

14 GRB発生率の歴史

15 宇宙開闢以来の星生成の歴史 経過時間 1億年 5億年 10億年 130億年 （現在） 現在の観測 ガンマ線バーストを 観測可能
　（現在） 現在の観測 ガンマ線バーストを 観測可能 星生成率（対数目盛） 星生成率 ガンマ線バーストによって星生成史を観測的に検証 理論による推定

16 高赤方偏移GRBは検出できるのか？ early afterglow of GRB 000131,
as observed one day after the burst 15 GRBs with well-determined redshifts Lamb and Reichart 2001

17 どうやって 距離を 決めるか？ ライマンドロップ法 ビッグバン後10億年以前 （赤方偏移＞１０）
赤方偏移=９ 赤方偏移=７ 赤方偏移=５ 水素によって 吸収されている 　　　赤方偏移=３の遠方銀河 相対強度 ライマンドロップ法 銀河間空間の水素ガスによる吸収を利用 （赤方偏移した 　ライマン吸収端より 　短波長側は見えない） 200 400 600 800 1000 観測波長 (nm) ビッグバン後10億年以前　（赤方偏移＞１０） ライマン吸収端の波長＞1μm →　近赤外線領域

18 観測地の選定 国立天文台岡山天体物理観測所  東大宇宙線研究所明野観測所 空が暗い 晴天率が高い 通信・電力などの基盤設備
支援設備・人員　(宿泊、工具、給食、…) 天候リスクの分散：距離をおいた複数地点 アクセス良好 低費用 国立天文台岡山天体物理観測所  東大宇宙線研究所明野観測所

19 観測システムの設計方針 自動化可能なシステムとする 無人観測に対応 迅速な観測・解析が可能 PC (Linux)による全体制御
スケジュール観測可能 GCN Alert 割り込みに対応 無人観測に対応 気象変化に自律対応(降雨、停電、強風） 安全対策(部外者も含む) ドーム内外の遠隔監視 迅速な観測・解析が可能 ドームと望遠鏡の高速駆動 高速読み出し (1 M pix/s) CCDカメラ ADSLを用いた広帯域ネットワーク（VPN)で東工大と結ぶ

20 観測自動化 GRB位置速報への即時対応 高速導入・高速撮影
GCN(GRB Coordinate Network)に Unix socket で常時接続 東工大直結高速ネットワーク(ADSL)の新設 高速導入・高速撮影 高速回転ドーム 高速指向赤道儀 広写野 (30分角)、広視野光学系　(F/6) 高速CCDカメラ　（1024x1024 画素：1秒で読出し) データの即時転送　(高速ネット)

21 GRB望遠鏡に要求された光学仕様 ●　要求 広い視野（20分角以上） 多色観測（3色） 大口径　 (40cm以上) 市販CCDカメラAlta U6を利用（読み出し 1 sec） ●　解決法 50cm　カセグレン光学系 ＋　コマ収差補正レンズ 3色同時撮像カメラ（ダイクロイックミラー　＋ 広帯域フィルター） F/6 でしかも、フランジバックを 325 mm（！）もとっている。

22 望遠鏡の仕様 主鏡 副鏡 架台 制御系 光学系 重量 約1000 kg (株)昭和機械製作所 製 有効直径 500 mm
鏡材　　　　ゼロデュア 鏡面処理　Al + SiO2コート 有効視野　30分角 結像性能　視野内で　43mm以下 観測波長　400－950 nm 副鏡 有効直径 160 mm 架台 形式　　フォーク式赤道儀 導入精度　>2’ (30度以内) 駆動速度　最大　3度/秒 制御系 オープンループ制御 PC + 制御ボード RS232Cにより外部より制御 光学系 非球面+球面＋補正光学系 重量　約1000 kg (株)昭和機械製作所　製

23 カバーする波長域と、装置の割当 V R I z J H Ks 可視カメラ 近赤外カメラ

24 可視、近赤外カメラがカバーする視野 可視カメラ FOV: 26‘×26 ’ NIR Camera 近赤外カメラ FOV: 56‘×56 ’
Optical Camera 近赤外カメラ FOV: 56‘×56 ’ NIR Camera 衛星による位置精度が低くても 十分補足できる REM

25 3色カメラ外観

26 3色同時撮像カメラのレイアウト R-band I-band V-band 入射光 金鏡 ダイクロ 1 広帯域 T: > 0.72 um
CCD Camera U6 (Apogee) 24 um x 24 um/pix 1024 x 1024 Readout : 1 sec 入射光 ダイクロ 2 T: > 0.58 um R: < 0.58 um ダイクロ 1 T: > 0.72 um R: < 0.72 um 広帯域 フィルター R-band V-band I-band 金鏡

27 3色カメラと望遠鏡

28 GRB041006 with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager on the TIT-OAO GRB 50cm telescope
9 arcmin. V-band R-band I-band DSS2 V Date-obs: T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)

29 明野50cm光学望遠鏡 サイト スケジュール、現状 運用システム、体制 試験･調整 50 cm VRI

30 ドームの仕様 ドーム半径4m 観測室高さ1.7m 回転速度 40秒/1回転 スリット幅 1.3 m スリット開閉速度 20秒
回転速度　　40秒/1回転 スリット幅　　1.3 m スリット開閉速度　20秒 操作：手元操作盤(local)および遠隔操作(remote) 雨センサー装備 無停電電源装備 降雨または停電でスリット自動閉扉 アストロ光学(株)製 操作種類 Remote/Local 切り替え 右回転 左回転 スリット扉開 スリット扉閉 出力信号 スリット扉全開/全閉 原点スイッチ 回転エンコーダー 雨センサー Remote/Local 主異常 スリット異常

31 場所: 宇宙線研究所明野観測所 ME1 本館

32 北 東 ME1 建設前 (μ観測小屋 ME1) 西 南 民家

33 建設後：明野50ｃｍ望遠鏡ドーム

34 １．フレッツＡＤＳＬを利用したネットワーク ランニングコスト試算表（イニシャルコストは別途）
山梨県明野村 宇宙線科学研究所 東京工業大学　様 ① ADSL ﾓﾃﾞﾑ ＤＢ ＤＢ ② ③ ADSL ﾓﾃﾞﾑ 地域IP網 ﾌﾚｯﾂｸﾞﾙｰﾌﾟｱｸｾｽﾗｲﾄ ランニングコスト試算表（イニシャルコストは別途） ①研究所側フレッツADSLモアⅡ３回線 　（最高速度２４M・専用タイプ・モデムレンタル）　　　　　　　　　　　　 月額 　　 １６，１７０円（１回線５，３９０円） ②フレッツグループアクセスライト４回線分　　　　　　　　　　　　　　　　月額　　　 ２，８００円（１回線　　７００円） ③大学側フレッツADSLモアⅡ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　（最高速度２４M・専用タイプ・モデムレンタル）　　　　　　　　　　　　 月額　　　 ５，３９０円 月額合計　 ２４，３６０円　　　　　　　　　年額　　２９２，３２０ 円

35 明野50cm望遠鏡と取得した画像

36 制御系統図 Internet 気象センサー 雨センサー 独自SIO GCN (GRB速報) 監視PC スリット ドーム制御部 回転 宇宙線研
(柏) Ethernet 望遠鏡監視カメラ ISDN 128 Kbps ドーム監視カメラ UPS NTSC 明野観測所 撮像PC . 視野監視カメラ Internet USB 光 ファイバー 傾斜リミット スイッチ 天体撮像用 CCDカメラ 東工大 . Master PC Alert 架台PC 19:15:0 望遠鏡 駆動部 Flets ADSL PIO PIO UPS UPS RS232C 8 Mbps 0.3 Mbps x 3

37 観測装置の保護と監視 落雷対策：電源、電話線に雷サージ保護装置 ドームスリット自動閉鎖機能(降雨、停電) 気象モニター：風、湿度、温度を監視
ドーム内外の監視カメラ 筒先カメラによる雲およびスリット状態監視 2系統独立ネットワーク 望遠鏡駆動の3重リミット（software/hardware) 地元協力者による緊急時対応

38 1. 手動観測の場合 GCN Windows Windows 明野観測所 視野監視カメラ USB カメラ冷却 天体撮像 CCD カメラ
雨センサー 視野監視カメラ USB 　 撮像 PC Windows GRB スリット ドーム制御部 回転 　カメラ冷却 　天体撮像 HETE-2 UPS CCD カメラ RA 19:15:0 DEC Dome open. 架台 PC Windows GCN 東工大自動観測システムの概要図です。2 台の PC を用いて制御します。 ガンマ線バーストが発生すると、HETE-2 がそれを検出し、位置を決定します。 その位置はGCN (GRB Coordinate Network system) を介して全世界に通報されます。 我々の観測システムは「通報受信、座標導入、目標天体撮像」という一連の作業を自動的に行うしくみになっています。 PIO 望遠鏡駆動部 望遠鏡操作 明野観測者 が全体制御 PIO 　ドーム回転 　スリット開閉 明野観測所

39 2. リモート観測の場合 GCN VNC 明野観測所 Ethernet 東工大観測者 が全体制御 気象センサー 雨センサー 独自SIO
監視 PC Windows スリット ドーム制御部 回転 Ethernet 望遠鏡監視カメラ ドーム監視カメラ UPS NTSC 　 撮像 PC Windows 視野監視カメラ 遠隔操作 カメラ冷却 天体撮像 傾斜リミット スイッチ RA 19:15:0 DEC+10.30 Dome open RA 19:15:0 DEC+10.30 Dome open. USB CCDカメラ Linux Windows PIO 遠隔操作 スリット開閉 ドーム回転 遠隔操作 座標導入 架台 PC Windows 東工大観測者 が全体制御 明野観測所

40 3. 自動観測の場合 GCN VNC PC (telcon) が全体制御 明野観測所 Ethernet 東工大 telcon 気象センサー
雨センサー 独自SIO VNC 監視 PC Linux 監視 PC Windows スリット ドーム制御部 回転 Ethernet 望遠鏡監視カメラ 東工大 ドーム監視カメラ UPS GCN NTSC 　 撮像 PC Linux 視野監視カメラ PC (telcon) が全体制御 傾斜リミット スイッチ カメラ自動冷却 天体自動撮像 . RA 19:15:0 DEC+10.30 Dome open. telcon USB CCDカメラ PIO スリット自動開閉 ドーム自動回転 制御 PC Linux 架台 PC Windows 座標自動導入 RS232C UPS UPS 明野観測所

41 テスト撮影 V・R・I各バンド 露出60秒ｘ20枚 画面右下の星像が放射状に伸びている。

42 視野周辺での収差 6arcmin (224pix)

43 ハルトマン試験 収差ベクトル（δi）： 最小錯乱像面における「ｉ番めの光線の、 光軸との距離」 単位は、[mm]
ハルトマン定数: 収差ベクトルの平均値を角度の秒で表した数値。 GRB望遠鏡ミーティング＠OAO 2003/09/29 Yanagisawa (OAO/NAOJ)

44 収差ベクトル図 収差ベクトル（δi）： 最小錯乱像面における「ｉ番めの光線の、 光軸との距離」 単位は、[mm] 収差ベクトル図：
　個々の収差ベクトルを、ハルト マン板の各孔を基点として描い た図。 　ベクトルの2次元分布から、光 学系のもつ収差を吟味できる。 GRB望遠鏡ミーティング＠OAO 2003/09/29 Yanagisawa (OAO/NAOJ)

45 代表的な収差ベクトル図の解釈方法 GRB望遠鏡ミーティング＠OAO 2003/09/29 Yanagisawa (OAO/NAOJ)

46 ハルトマンテスト(１) コマ・フリーセンターを求めるため、視野を振って撮影 一部のスポットが隠れていることが分かった。
In 40mm Out 40mm 一部のスポットが隠れていることが分かった。 イメージサークルの端でケラれている？

47 ハルトマンテスト(２) 視野中心でのハルトマン定数は副鏡のシフト±6.00mm
全域で1.0arcsec以下。（Best：0.677arcsec）

48 架台の機械特性 導入精度 ・・・現状で５arcmin以内(ソフトウェアによる補正有り。これから詳しく調査)。 追尾精度 ・・・
追尾精度　・・・ 60秒露出の画像をy方向にシフトして足し合わせ。 -周期5分(288歯?) (1 pix = 1.6”) ⇒ periodic error ~±2arcsec 全幅 ~ 2pix

49 ToDo List 望遠鏡 ドーム、運用系 観測・解析系 三色カメラ ハルトマン試験の解析 フィルターアダプター、ドローチューブの改善
追加ハルトマン試験 追尾性能試験 導入精度試験 フォーカスの温度依存性の測定、解析 ドームフラットの製作 望遠鏡指向補正 三色カメラ 光学系調整（焦点、視野合わせ） 光学系性能試験 限界等級測定 撮像ソフト整備 高感度カメラ導入の検討 ドーム、運用系 気象データの解析 エアコンリモート制御 監視カメラ画像データベース I/F Box UPS整備 監視カメラの落雷対策 観測・解析系 自動観測プログラムのデバッグ 標準測光システムへの変換係数の測定 データ保存ディスクの整備 データ自動転送 変光天体検出プログラム

50 Swift 100～150 GRB/year 自身で追跡観測 （数分後に衛星を転回） 打上： 2004年11月20日
位置精度：　（数秒後　BAT）　数分角 　　　　　　　　（数分後 XRT）　数秒角 自身で追跡観測　（数分後に衛星を転回） XRT 0.4 –10 keV UVOT --- 赤外はなし 打上：　2004年11月20日 ほぼ順調に観測装置の立ち上げ中 最初のGRB位置通報： 2004/12/17 Swift Follow-up Team に加入

51 TITLE: GCN GRB OBSERVATION REPORT
NUMBER: 2853 SUBJECT: GRB041217: The First GRB Located On-Board Swift DATE: 04/12/17 23:59:44 GMT FROM: Ed Fenimore at LANL D. Palmer (LANL), E. Fenimore (LANL), S. Barthelmy (GSFC), G. Chincarini (OAB), J. Cummings (GSFC), N. Gehrels (GSFC), P. Giommi (ASDC), M. Goad (UL), D. Hullinger (UMD), H. Krimm (USRA), C. Markwardt (UMD), K. Mason (MSSL), K. McLean (LANL), J. Nousek (PSU), J. Osborne (UL), A. Parsons (GSFC), G. Sato (ISAS), M. Suzuki (Saitama), J. Tueller (GSFC), A. Wells (UL), N. White (GSFC), on behalf of the Swift BAT team. On Dec , 7:28:30 UT, the Swift Burst Alert Telescope (BAT) triggered and located on-board an apparent gamma-ray burst. The spacecraft did not autonomously slew to the burst since automated slewing is not yet enabled. The location is RA/Dec , This is about 42 degrees off the bore sight in the partially encoded field of view. The Swift attitude control system is still undergoing calibration, but we estimate that the position is within 12 arcmin. The on-orbit location differed from a location processed on the ground by about 6 arcmin. After calibration we expect on-board locations to be within 4 arcmin. The burst can be characterized as a smooth profile with a rise time of 2 sec and a fall time of 6 sec. The T90 was ~6.7. Although BAT is still undergoing calibration, ground processing gives a power law spectrum with a number index of -1.6 and a fluence of 5E-6 erg/cm2 in the ~20 to 200 keV range. The peak was about 4.4 cts/cm2/sec in ~15 to 200 keV.

52 明野望遠鏡 研究実施計画 2004 2005 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 望遠鏡整備 3色撮像カメラ （於岡山）
明野望遠鏡　研究実施計画 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 望遠鏡光学試験・調整 望遠鏡指向・追尾性能試験・調整 望遠鏡整備 望遠鏡フォーカス自動化 一号機製作 ２号機設計・製作 ソフトウェア開発 3色撮像カメラ （於岡山） 調整・性能試験 性能試験 試験観測 ドーム・監視系整備 ドーム・監視系 自動観測ソフト開発・デバッグ データ保存ディスク整備 観測・運用 データ自動転送 自動解析ソフトウェア開発 単一カメラによる観測 3色カメラによる観測 Swift 打上 Swift 本運用