「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

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）、

明野 50cm 光学望遠鏡の現状

• 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

•GRBGRB 残光自動観測システムを構築中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 91cm 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

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 の宇宙線研究に対する重要性

• ~1000 超相対論的ジェット 最高エエエエエエエエエエエエ エエエエエエエエ　 エエエエエ

• 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？）

• エエエエエエエエエエエエエエエエエエエ– 高赤方偏移 GRB ？

本研究の目標• 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 , B, B,　e, 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

観測衛星

地上局

ガンマ線バースト

衛星運用センター

観測施設インターネット インターネット

ガンマ線バースト 連携ネットワーク

位置情報

岡山 明野

その他

ガンマ線バーストの情報伝達

観測

21:43

t0+1.1 hr

23:47

t0+3.2 hr

01:54

t0+5.3 hr

03:18

t0+6.5 hr

GRB030329 （東工大屋上）

Fireball scenario of GRBs

Piran 2003

GRB041006 GRB041006 with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager

on the TIT-OAO GRB 50cm telescopeon the TIT-OAO GRB 50cm telescope

V-band R-band I-band DSS2 V

Date-obs: 2004-10-06T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)

9 ar

cmin

.

Supernova connection established

Stanek et al. 2003also Fynbo et al. Kawabata et al.

GRB030329/SN2003dh

残光の光度曲線

Jet Break

opening angle 　

log time

1

log flux

GRB030329Lipkin et al. 2003

GRB with fast declining optical flash

GRB021211 Fox et al. (2003)

1 min

GRB 発生率の歴史

宇宙開闢以来の星生成の歴史

星生成率

現在の観測

10 億年 130 億年　（現在）

1 億年 5 億年

経過時間

理論による推定

ガンマ線バースガンマ線バーストによって星生トによって星生成史を観測的に成史を観測的に検証検証

ガンマ線バーストを観測可能星

生成率（対数目

盛）

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

　　　赤方偏移 =３の遠方銀河赤方偏移 =５赤方偏移 =７赤方偏移 =９

1000

観測波長 (nm)200 400 600 800

水素によっ

て

吸収されている

どうやってどうやって距離を距離を決めるか？ 決めるか？

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）

相対

強度

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

観測地の選定• 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

観測システムの設計方針• 自動化可能なシステムとする

– PC (Linux) による全体制御– 動力要素、センサーすべて PC で統括– 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

観測自動化• GRB 位置速報への即時対応

– 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 )

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。

望遠鏡の仕様

• 主鏡– 有効直径　 500 mm

– 焦点距離　 3000 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　 43m 以下

– 観測波長　 400－ 950 nm

• 副鏡– 有効直径 160 mm

– 鏡材　　　　ゼロデュア– 鏡面処理　 Al + SiO2 コート

• 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

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

可視、近赤外カメラがカバーする視野

可視カメラ FOV: 26‘×26 ’

Optical Camera

近赤外カメラ FOV: 56‘×56 ’

NIR Camera

REM

衛星による位置精度が低くても十分補足できる

3 色カメラ外観

3 色同時撮像カメラのレイアウト

入射光

R-band

V-band

I-bandダイクロ 2T: > 0.58 umR: < 0.58 um

ダイクロ 1T: > 0.72 umR: < 0.72 um

金鏡

広帯域フィルター

CCD Camera U6 (Apogee)24 um x 24 um/pix1024 x 1024Readout : 1 sec

3 色カメラと望遠鏡

GRB041006 GRB041006 with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager with the Wide-Field Simultaneous 3-band Imager

on the TIT-OAO GRB 50cm telescopeon the TIT-OAO GRB 50cm telescope

V-band R-band I-band DSS2 V

Date-obs: 2004-10-06T14:41-14:51(UT), Exposure=600sec(30sec×20frame)

9 ar

cmin

.

祝！初祝！初 GRBGRB 検出検出

明野 50cm 光学望遠鏡

50 cm VRI

• サイト• スケジュール、現

状• 運用システム、体制

• 試験 調整･

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• 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

場所 : 宇宙線研究所明野観測所

ME1

本館

建設前 (μ 観測小屋 ME1)

東東北北ME1ME1

西西南南 民家民家

建設後：明野 50ｃｍ望遠鏡ドーム

地域 IP 網ﾌﾚｯﾂｸﾞﾙｰﾌﾟｱｸｾｽﾗｲﾄ

東京工業大学　様

ADSLﾓﾃﾞﾑ

１．フレッツＡＤＳＬを利用したネットワーク

山梨県明野村宇宙線科学研究所

①

③

ランニングコスト試算表（イニシャルコストは別途）

月額合計　 ２４，３６０円　　　　　　　　　年額　　２９２，３２０ 円

②ＤＢ

ADSLﾓﾃﾞﾑ

ＤＢ

① 研究所側フレッツ ADSL モアⅡ３回線

　（最高速度２４ M ・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２４ M ・専用タイプ・モデムレンタル）　　　　　　　　　　　　 月額　　　 ５，３９０円

明野 50cm 望遠鏡と取得した画像

制御系統図

架台 PC

19:15:0+10.30.

スリット回転

雨センサー

ドーム監視カメラ

気象センサー

視野監視カメラ

撮像 PC

.

望遠鏡監視カメラ

ドーム制御部

望遠鏡駆動部

天体撮像用CCD カメラ

傾斜リミットスイッチ

Master PC

Alert

監視 PC

FletsADSL東工大

.

0.3 Mbps x 38 Mbps

Internet

明野観測所

宇宙線研(柏 )

光ファイバー

ISDN 128 Kbps

GCN(GRB 速報 )

UPS

UPSUPS

USB

PIOPIO

NTSC

Ethernet

独自 SIO

RS232C

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

　 撮像 PC Windows

1. 手動観測の場合

RA 19:15:0DEC +10.30Dome open.

架台 PCWindows

スリット

回転

雨センサー

ドーム制御部

UPS

望遠鏡駆動部

CCD カメラ

USB

PIO

PIO

視野監視カメラ

望遠鏡操作

　ドーム回転　スリット開閉

　カメラ冷却　天体撮像

GCN

明野観測所

HETE-2

GRB

明野観測者が全体制御

2. リモート観測の場合

スリット回転

雨センサー

ドーム監視カメラ

気象センサー

視野監視カメラ

望遠鏡監視カメラドーム制御部

CCD カメラ

傾斜リミットスイッチ

UPS

USB

NTSC

Ethernet

独自 SIO

RA 19:15:0DEC+10.30Dome open.

架台 PCWindows

　 撮像 PC Windows

監視 PCWindows

RA 19:15:0DEC+10.30Dome open

Linux Windows

東工大観測者が全体制御

PIO

VNC

明野観測所

GCN

遠隔操作• カメラ冷却• 天体撮像

遠隔操作• 座標導入

遠隔操作 • スリット開閉• ドーム回転

3. 自動観測の場合

スリット回転

雨センサー

ドーム監視カメラ

気象センサー

視野監視カメラ

望遠鏡監視カメラドーム制御部

CCD カメラ

傾斜リミットスイッチ

UPS

USB

NTSC

Ethernet

独自 SIO

RA 19:15:0DEC+10.30Dome open.

架台 PCWindows

　 撮像 PC Linux

監視 PCWindows

PIO

明野観測所

GCN

.

制御 PC Linux

telcon

UPS UPS

RS232C 座標自動導入

スリット自動開閉 ドーム自動回転

カメラ自動冷却 天体自動撮像

監視 PC Linux

VNC

東工大

PC (telcon)が全体制御

テスト撮影V ・ R ・ I各

バンド露出 60秒ｘ 20枚

画面右下の星像が放射状に伸びている。

視野周辺での収差

6arcmin (224pix)

ハルトマン試験

GRB 望遠鏡ミーティング＠ OAO 2003/09/29 Yanagisawa (OAO/NAOJ)

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。

収差ベク トル図

GRB 望遠鏡ミーティング＠ OAO 2003/09/29 Yanagisawa (OAO/NAOJ)

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。

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)

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。イメージサークルの端でケラれている？

In 40mm Out 40mm

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 ）

架台の機械特性• 導入精度　・・・現状で５ arcmin 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　・・・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 ?)

- 全幅　 ~2pix @Dec=33°

(1 pix = 1.6”)

⇒ periodic error ~±2arcsec

全幅 全幅 ~ 2pix~ 2pix

ToDo List• 望遠鏡

– 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

Swift

• 100～ 150 GRB/year– 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

TITLE: GCN GRB OBSERVATION REPORTNUMBER: 2853SUBJECT: GRB041217: The First GRB Located On-Board SwiftDATE: 04/12/17 23:59:44 GMTFROM: Ed Fenimore at LANL <efenimore@lanl.gov>

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 17 2004, 7:28:30 UT, the Swift Burst Alert Telescope (BAT) triggered and located on-board an apparent gamma-ray burst. Thespacecraft did not autonomously slew to the burst since automated slewingis not yet enabled.

The location is RA/Dec 164.79, -17.95. This is about 42 degrees off thebore sight in the partially encoded field of view. The Swift attitudecontrol system is still undergoing calibration, but we estimate that theposition is within 12 arcmin. The on-orbit location differed from alocation 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 of2 sec and a fall time of 6 sec. The T90 was ~6.7. Although BAT is stillundergoing calibration, ground processing gives a power law spectrum witha number index of -1.6 and a fluence of 5E-6 erg/cm2 in the ~20 to 200keV range. The peak was about 4.4 cts/cm2/sec in ~15 to 200 keV.

7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6

明野望遠鏡　研究実施計画2004 2005

望遠鏡光学試験・調整望遠鏡指向・追尾性能試験・調整

望遠鏡フォーカス自動化

一号機製作

ソフトウェア開発

調整・性能試験

ドーム・監視系整備

望遠鏡整備

3 色撮像カメラ（於岡山）

ドーム・監視系

観測・運用

Swift 打上

自動観測ソフト開発・デバッグデータ保存ディスク整備データ自動転送

自動解析ソフトウェア開発

２号機設計・製作

性能試験

単一カメラによる観測3 色カメラによる観測

試験観測

Swift 本運用