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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
赤外観測
可視光観測
X線観測
電波観測
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
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
R1-p3
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
大気の透過率(近中間赤外)
“Astrophysical Quantities”
R1-p6
SDSS
フィルター
システム
Fukugita et al. (1996)
R1-p7
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
大気の透過率(サブミリ波)
R1-p11
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
m   2 . 5 log
f
10
f ( 0 )
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(hc = 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)
NEP 
2 P ( kT B  h  )
– 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)
P  2 kT B B
• 受信機雑音にこれを換算すると
T RX  NEP /( k
2B )
 =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
光の干渉
• 単色二光波の干渉
– 波数
k 
2

– 重なる場所での電場は
E 12  ( E 1 e
ikl 1
 E 2e
ikl 1
)e
 i t
I 12  | E 12 |  E 12 E 12  E 1  E 2  2 E 1 E 2 cos( k  l )
2
*
2
2
 I 1  I 2  2 I 1 I 2 cos( k  l )
– 二光波の強さが同じ(=1)なら
I 12  2 (1  cos( k  l ))
(3.7)
光の干渉(2)
• 広帯域光の干渉
– 波長幅  
波数 k の幅
k 
2

2
 
2
 coh
(中心波数 k 0 )の波長帯の光のどの振幅も一定
の場合:
1
sin   l /  coh
  l /  coh

cos( k 0  l )
という干渉じまができる。
干渉縞の「波束」 (   /   0 . 25 )
(3.9)
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

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