EOSの超大型望遠鏡は4倍ファーストライトが見える

マーチン・エンダーライン、ヴィルヘルム・G・ケンダース、ドメニコ・ボナッチーニ・カリア

EOSの VLT望遠鏡の 1つで、大きなアップグレードが行われた。これは、高い角度分解能と増強された適応光学補償を可能にする 4つのガイドスターレーザの同時動作の結果である。

強力な可視光レーザを広い空に放射させる機会はすべてのレーザエンジニアにとって夢である。さらに、その4つが同時に砂漠の澄んだ空気に感動的な光の柱を印象付け、南十字星に照準を合わせることは、最近のイベントの見ものだった（図2）。
　2016年4月26日、南の空に4つの新しい20Wクラスのナトリウムガイドスターレーザの「初光」が見えた。チリ、アタカマ砂漠にあるヨーロッパ南天天文台（EOS）のパラナル天文台でガイドスターレーザは星空の方に向けられていた（1）。このイベントで、レーザサプライヤーである、独トプティカフォトニクス社とカナダのMPBコミュニケーションズ社は、開発パートナーおよび顧客としてのEOSとの7年契約と協働が完了する。
　今回のファーストライトイベントは、ユニットテレスコープ4を最先端の適応型望遠鏡ファシリティ（AOF）に変えるためのESOのVLT主要アップグレードの重要な節目となる（8）。変更にはさらに次の段階がある。2016年後半、新しい1.1m可変第2ミラー導入、2017年には2つの適応型オプティクスモジュール、GRAALとGALACSIが稼働する。
　自然のガイドスターと人工ガイドスター、波面センサ、リアルタイムコンピュータ、可変ミラーで構成される適応型オプティクスシステムは、地上設置の光学望遠鏡で不可避の大気乱流による画像ぶれ効果を相殺する最適な方法である。実際、セロ・パラナル山頂2600mあるいはハワイのマウナ・ケア山頂4205mのような地球上の最良の光学サイトでさえ、8.2m VLT望遠鏡では、大気の屈折率変動が、理論的回折限界解像度0.02秒角以下に対してシーイング解像度が0.4秒角に制限される。
　夜空の大部分では、十分な輝度、自然のガイドスターがないので、適応光学システムの小さな視界を持つ大型望遠鏡は、独自の人工星を作る必要がある。1980年代に、フォイ（Foy）とラベリィ（Labeyrie）、彼ら以前の極秘JASONレポートのハッパーとマクドナルドが、中間圏エッジ約10km厚の層、地上80 ～ 100km上空で、原子ナトリウム高濃度を利用する方法を考案した（2）（3）。共鳴蛍光の大きな横断面と豊富さ（平方センチメートルあたり約40億のナトリウム原子のコラム密度、つまり立方メートルあたり40万原子）のために、これらの原子の励起は全大気乱流のはるか上空の位置からの高いフォトンリターンを約束するものであり、一般に高度25kmに広がるすべての乱流層の完全サンプリングにとって好ましい条件である。

ガイドスター

今回VLTに導入された新しいレーザは、第3世代ナトリウムガイドスターレーザを構成し、量子オプティクス技術を天文学界に持ち込むものである（4）。わずか過去10年で、大規模コンピュータシミュレーションが、ラーモア歳差運動（Larmor precession）、非共鳴励起、大気中ナトリウム飽和の悪影響を特定し、これがこのような最適化された可変ダイオードレーザベースの技術開発につながった。核心のコンポーネントは、種光として安定した量子ドット分布帰還（DFB）ダイオード、偏光保持狭帯域ラマンファイバ増幅器、これは特許となっているESO技術に基づいており、MPBCが供給している。それに共鳴第2高調波発生による効率的な周波数逓倍である（図１）。
　80％を超える倍増効率により、各レーザは589nm付近のナトリウム共鳴で、回折限界の22W（20nm RMS波面変動）出力、狭帯域、連続波（CW）を照射する。これには第2再励起周波数で最大12％出力も含まれている。
　ナトリウムD2b波長で第2再励起レーザを使うことで光励起を強化し、アクセスできる原子の基底状態の枯渇を減らす。これは原子物理学や量子光学、特に原子のレーザ冷却ではよく知られた技術だ。単一原子レベルでのそのような実験では、信号は非常に小さく、統計をとるためには何度も繰り返し計測しなければならない。したがって、実験条件が不完全であっても、同じ手続きを信頼性良く再現することが重要である。不完全な実験条件は、検出用レーザで励起ができない（ダークな）原子状態への無用な移行につながる。追加の再励起レーザは、ダーク状態から検出可能な状態に遷移を誘導することでこのような原子を回復する。
　適応光学では、ガイドスターレーザと相互作用する上部中間圏のナトリウム層で原子の数が比較的大きい。これはナトリウムが流星によって継続的に補充されているためである。一方、「実験」条件は量子光学ラボと比較すると、不安定である。これは地球磁場状態の変動、高高度を流れる風、温度のためであり、したがって、原子の運動により原子線のドップラー広がりが起こる。しかし、最近のシミュレーションは、再励起がガイドスターの効果的な輝度、蛍光フォトンのリターンを最大4倍に高めることができることを明確に示している（5）。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/11/LFWJ1609ft1.pdf