京大、せいめい望遠鏡の直径3.8mの分割主鏡の各鏡の位相合わせ作業を実施

京都大学(京大)は8月9日、2024年6月下旬～7月の整備期間を利用して、同大大学院理学研究科付属の岡山天文台に設置されている「せいめい望遠鏡」の心臓部である分割主鏡(主鏡の口径は国内最大級の3.8m)の各鏡の段差を合わせる作業を実施し、7月17日に星の試験撮影を行った結果、各分割鏡の高さが光の波長程度の精度で揃っていることが確認され、分割主鏡の位相合わせに成功したことを発表した。

うしかい座の0等のα星アークトゥルスを短時間露光で撮影した画像。(左)位相合わせ後。(右)比較用の位相合わせ前。両画像共に地球大気の揺らぎのために点像にはならず、粒状構造「スペックル」の集まりになっている。位相合わせ後の画像では、個々のスペックルの大きさが下に示された直径3.8mでの回折限界像とほぼ等しいことから、分割鏡間の段差は十分に小さく、主鏡全体で光が干渉する状態であることが確認された (出所:京大プレスリリースPDF)

望遠鏡の理論的な解像度(回折限界)は主鏡の大きさと観測波長の比率で決まり、大きな主鏡の望遠鏡ほど解像度が高くなる。ただし、せいめい望遠鏡で採用している分割鏡方式の場合、分割された各鏡の間に大きな段差があると、開口の大きさは分割された1枚の鏡に制限され、解像度が低下してしまうという。

しかし地上からの観測では、地球の大気揺らぎにより光が乱される方が影響が大きく、理論的な解像度よりも遥かに悪い1～数秒角にまでボケが生じることから、通常の観測であれば、分割鏡間に段差があっても観測に大きな影響はなく、実際にこれまでは焦点位置だけを一致させた(「光バケツ」と呼ばれる)状態で観測が行われてきたとする。

ただし、せいめい望遠鏡は今後、大気揺らぎをリアルタイムに修正する補償光学技術を搭載し、回折限界での観測を行うことが計画されており、その実現に向けて今回、分割鏡間の段差を光学的に測定・修正する作業を実施することにしたという。

せいめい望遠鏡の主鏡は18枚の扇形に分割されている。分割主鏡は、鏡の製造設備の小型化や輸送などが容易になるというメリットがあるが、すべての鏡が同じ場所に焦点を結ぶよう調整するのに高い技術が求められるという技術的なハードルもある。

せいめい望遠鏡の分割主鏡は、18枚の扇形の鏡で構成されている。分割鏡間を跨ぐように置かれている小さな黒い部品は段差を測定する光学センサの一部 (出所:京大プレスリリースPDF)

そうした分割主鏡の調整作業は3段階に分けられ、1段階目の「角度合わせ」にて、鏡の角度を調整し、すべての分割鏡で焦点の位置を一致させる(この調整前は、1個の星が18個の像に分裂して写る)。2段階目の「焦点合わせ」にて、鏡の高さを調整してすべての分割鏡でピントを合わせることとなり、幾何学的には全焦点が完全に一致する。しかし、各分割鏡の曲率半径にはバラつきがあるため、分割鏡の間には段差が生じてしまう(大気揺らぎで決まる解像度での観測なら、ここまでの調整で十分とされてきた)。

分割鏡の位相を合わせても、望遠鏡だけでは大気揺らぎによって解像度が～1秒角に制限されたままのため、回折限界像を得るには補償光学を使って、大気揺らぎにより歪んだ光の波面を元に戻す必要がある。京大では太陽系外惑星の直接撮像を目的にした補償光学装置「SEICA」を開発しており、同装置と組み合わせることで国内最大の3.8mという口径を100％活かした観測を実施できるようになる予定 (出所:京大プレスリリースPDF)