第 2 回 赤外線~ミリ波天文学 の 基礎 知識
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第2回赤外線~ミリ波天文学の
基礎知識
平成 24年度新潟大学理学部物理学科 集中講義
松原英雄(JAXA宇宙研)
電磁波の波長
電波観測
赤外観測可視光観測
X 線観測
波長 5m 1cm 10μm 500nm 250nm 0.5nm 0.5pm
色々な波長で観測すると、可視光とは全く違った宇宙が見えてくる
R1-p3
スペースからの観測の利点
大気の吸収・放射がない。– 波長 1-1000 ミ
クロン全域で観測可能
– 「赤外で暗い夜空」が得られる
赤外~サブミリ波波長帯における地球大気の透過スペクトル(上段)と、放射スペクトル(下段)を色々な高度から天空を観測した場合について比較したもの。高度250km 以上の衛星軌道ではじめて、惑星間塵の放射など宇宙起源の拡散放射しか存在しない「暗い夜空」が得られる。
地上からの可視・赤外線観測の際の背景光(1)
http://www.kusastro.kyoto-u.ac.jp/~iwamuro/LECTURE/OBS/atmos.html
地上からの可視・赤外線観測の際の背景光(2)
記号 名称 温度 emissivity 備考
GBT Ground-Based Telescope 273 K 0.1 望遠鏡鏡面からの熱
輻射
AE Atmospheric Emission ~ 273 K 1 - 透過率 地球大気からの熱輻射
OH OH airglow --- ---地球大気からの非熱的放射
ZSL Zodiacal Scattered Light 5800 K 3×10-14 黄道面付近のダスト
による太陽光の散乱
ZE Zodiacal Emission 275 K 7.1×10-8 黄道面付近のダストからの熱輻射
GBE Galactic Background Emission 17 K 10-3 銀河面付近のダスト
からの熱輻射
CST Cryogenic Space Telescope 10 K 0.05 冷却宇宙望遠鏡での
熱輻射
CBR Cosmic Background Radiation 2.73 K 1.0 宇宙背景放射
R1-p6
大気の透過率(近中間赤外)
“Astrophysical Quantities”
R1-p7
SDSSフィルターシステム
Fukugita et al. (1996)
高度5600mまで上ると・・(1)近赤外
www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/TAO/pjbook/chap7.pdf
高度5600mまで上ると・・(2)中間赤外
• 赤が PWV=0.38mm 、青が PWV=0.91mm であり、各々高度 5600m 、 4200m での水蒸気条件上位 10% 相当。
高度5600mまで上ると・・(3) 23- 40mm
R1-p11
大気の透過率(サブミリ波)
ALMAサイト(チリ、標高 5000m )
ALMAはミリ波サブミリ波電波干渉計 (Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array)
• 日、北米、欧、台湾、チリの国際協力
• – チリ北部標高 5000mの乾燥大地に設置
• – アンテナ台数:12 m 54 台、7m 12 台
• – 波長10 mm から 0.35 mm をカバー
• 2011 年8 月、16 台のアンテナが稼働
heapa.astro.isas.ac.jp/activity/2011/heapaws11/presen/6-2saito.pdf
等級の定義
)0(log5.2 10
ffm
電磁波の検出方法
• 直接検出– 「量子型」検出器:フォトダイオード等
• 半導体のバンドギャップ( EG )で決まるカットオフ周波数 c ( hc = EG )
– 熱型検出器(ボロメータ)• どの波長にも感じるが、高い感度の実現には極低
温が必要
• ヘテロダイン検出– 光を波として検出する。どちらかの偏波のみ
測定。– 受信電力を温度単位で計測。
電波天文:アンテナとヘテロダイン受信
受信機雑音: TRX=50-200K @ 300GHz(ほぼ周波数に比例して悪化):
直接検出器の感度限界
• 雑音等価電力 ( W/Hz1/2)
– 中心周波数 、バンド幅 Bの電磁波の検出限界。ここで Pは背景光の電力で( TB は輝度温度)
• 受信機雑音にこれを換算すると
– =300GHz 、 B=50GHz 大気の温度 300K 、透過率80% 、装置効率 60% とすると
– TB=300*(1-0.8)*0.6=36K P=50pW NEP = 2.6 x 10-16 W/Hz1/2 TRX~60K
)(2 hkTPNEP B
BkTP B2
)2/( BkNEPTRX
光の干渉
• 単色二光波の干渉– 波数
– 重なる場所での電場は
(3.7)
– 二光波の強さが同じ( =1) なら
)cos(2
)cos(2||
)(
2121
2122
21
*1212
21212
211211
lkIIII
lkEEEEEEEI
eeEeEE tiiklikl
2
k
))cos(1(212 lkI
光の干渉(2)
• 広帯域光の干渉– 波長幅 波数 の幅
(中心波数 )の波長帯の光のどの振幅も
一定の場合:
(3.9)
という干渉じまができる。
)cos(/
/sin1 0 lkll
coh
coh
kcoh
k
222
0k
干渉縞の「波束」 )25.0/(
光の干渉(3)
• ホイヘンスーフレネルの原理– 平面波が開口に入射した直後は、明瞭な開口
の形が見える– 伝播するに従って形が変化– 非常に遠方では開口の形と波長で決まるある
パターン(フラウンホーファー回折)
開口による回折とその像
• フラウンホーファー回折の電場は、二次元フーリエ変換の式になる
瞳関数と点像分布関数