宇宙起源分光器

宇宙起源分光器(COS) は、2009 年 5 月のサービス ミッション 4 (STS-125) 中にハッブル宇宙望遠鏡に取り付けられた科学機器です。この機器は、約 1,550 ～ 24,000 の分解能で、微弱な点光源の紫外線 (90 ～ 320 nm) 分光を行うように設計されています。科学的目標には、宇宙の大規模構造の起源、銀河の形成と進化、恒星系と惑星系の起源、冷たい星間物質の研究が含まれます。COS は、コロラド大学ボルダー校の天体物理学および宇宙天文学センター (CASA-ARL) と、コロラド州ボルダーのボール エアロスペース アンド テクノロジーズ社によって開発および構築されました。

COSは、以前はCOSTAR（Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement）装置が取り付けられていた軸方向装置ベイに設置され、同じミッション中に修理されたSTIS（Space Telescope Imaging Spectrograph ）を補完することを目的としています。STISはより広い波長範囲で動作しますが、COSは紫外線に対して何倍も感度があります。^{[1] [2]}

宇宙起源分光器は、コンパクトな（点状の）物体（恒星、クエーサーなど）の高感度と中程度のスペクトル分解能に最適化された紫外線分光器です。COS には 2 つの主要チャネルがあり、1 つは90～205 nm をカバーする遠紫外線（FUV）分光用、もう 1 つは 170～320 nm をカバーする近紫外線（NUV）分光用です。FUV チャネルは 3 つの回折格子のいずれかで動作し、NUV チャネルは 4 つの回折格子のいずれかで動作し、低分解能と中分解能の両方のスペクトルを提供します（表 1）。さらに、COS にはターゲット取得を目的とした狭視野の NUV イメージング モードがあります。^[2]

FUV で高感度を実現するための重要な技術の 1 つは、光学系の数を最小限に抑えることです。これは、FUV の反射および透過効率が、可視波長で一般的なものと比較して通常かなり低いためです。これを実現するために、COS FUV チャネルは単一の (選択可能な) 光学系を使用して HST からの光を回折し、ハッブル球面収差を補正し、回折光を FUV 検出器に焦点を合わせ、この種の機器に特有の非点収差を補正します。収差補正は光が機器に入った後に実行されるため、点光源からの収差のある HST 画像全体が機器に入るように、分光器への入口は従来の狭い入口スリットではなく拡張された開口部でなければなりません。2.5 秒角の直径の入口開口部により、小型光源からの光の約 95% が COS に入ることができ、小型光源の設計解像度で高感度が得られます。

打ち上げ後の性能は期待にほぼ一致しました。機器の感度は打ち上げ前の較正値に近く、検出器のバックグラウンドは非常に低くなっています (FUV 検出器では 1000 秒あたり 1 解像度要素あたり 0.16 カウント、NUV 検出器では 100 秒あたり 1.7 カウント)。FUV 解像度は、HST 主鏡の中周波研磨エラーにより打ち上げ前の予測よりわずかに低くなっていますが、NUV 解像度はすべてのモードで打ち上げ前の値を上回っています。反射回数が最小限であるため、G140L モードと、2010 年以降に追加された G130M 中心波長設定では、これらの波長での MgF ₂コーティング光学系の反射率が非常に低いにもかかわらず、約 90 nm までの波長とそれより短い波長の光を観測できます。

宇宙起源分光器は、中程度のスペクトル分解能で微弱な点状の紫外線ターゲットを観測できるように設計されており、天の川銀河の高温星（ OB星、白色矮星、激変星、連星）を観測し、活動銀河核のスペクトルの吸収特性を観測することができます。また、拡張オブジェクトの観測も計画されています。分光法は、画像では得られない遠方の天体に関する豊富な情報を提供します。

分光法は天体物理学的推論の中核をなしています。宇宙の起源と進化に関する私たちの理解は、宇宙における物質の総質量、分布、運動、温度、組成などの物理的パラメータを定量的に測定する能力に大きく依存しています。これらすべての特性に関する詳細な情報は、高品質の分光データから収集できます。遠方の物体の場合、これらの特性の一部 (運動や組成など) は分光法でしか測定できません。

紫外線（UV）分光法は、惑星、恒星、銀河、星間物質、銀河間物質の物理的特性を識別するために必要な最も基本的な診断データの一部を提供します。UVは、他の波長では得られない重要な診断情報を提供するスペクトル特性へのアクセスを提供します。^[3]

星間ガスと銀河間ガスの吸収スペクトルを取得することは、COS 科学プログラムの多くで基礎となっています。これらのスペクトルは、宇宙の網がどのように形成されたか、星間ガスと銀河間ガスにはどのくらいの質量があるか、このガスの組成、分布、温度はどのようなものかといった疑問に答えます。一般的に、COS は次のような疑問に答えます。^[4]

• 宇宙における物質の大規模構造とは何でしょうか?
• 銀河は銀河間物質からどのように形成されたのでしょうか?
• 星形成銀河はどのような種類の銀河ハローと流出風を生み出すのでしょうか?
• 巨大な星や超新星の中で生命の化学元素はどうやって作られたのでしょうか？
• 分子雲内の塵粒子から星や惑星系はどのように形成されるのでしょうか？
• 私たちの太陽系（および太陽系外）の惑星の大気と彗星の組成は何ですか?

具体的なプログラムとしては次のようなものがあります。

バリオン物質の大規模構造: COS は FUV 分光感度が高く、ライマンアルファの森の探査に最適です。これは、宇宙のバリオン物質の大部分を含む可能性がある銀河間ガス雲によって生じた遠方の銀河やクエーサーのスペクトルに見られる吸収スペクトルの「森」です。これらの観測に最も役立つ吸収線は遠紫外線にあり、その発生源は微弱であるため、これらの観測を行うには、広い波長範囲をカバーする高感度 FUV 分光器が必要です。介在する吸収体の赤方偏移と線幅を決定することで、COS は宇宙ウェブ内の暗黒バリオン物質の温度、密度、組成をマッピングできます。

高温銀河間物質:高度に電離した（高温の）ガス（O IV、N Vなど）と幅広いライマンアルファの吸収線研究により、高温銀河間ガスの電離状態と分布を調査します。

万里の長城構造:背景の活動銀河核は銀河間吸収体を研究するために使用され、その横方向のサイズと物理的密度を推定し、CFA2 万里の長城内の物質の分布が近隣の銀河の分布とどのように相関しているかを判断します。

He II 再イオン化:高度に赤方偏移したイオン化ヘリウムを使用して、赤方偏移(z) ≈ 3 での 再イオン化プロセス

COS には、 90～205 nm をカバーする遠紫外線(FUV) と170～320 nm をカバーする近紫外線(NUV) の 2 つのチャネルがあります。効率を最大化し、色収差を回避するために、すべての COS 光学系は反射型です (明るい物体の開口フィルターと NUV オーダー ソーターを除く)。主な COS 観測モードを表 1 にまとめます。

ハッブル宇宙望遠鏡からの光は、主科学開口 (PSA) または明物体開口 (BOA) のいずれかから機器に入ります。BOA は、光路に中性密度フィルターを導入し、光を約 100 倍 (天文等級5 倍) 減衰させます。両方の開口は特大 (有効開口 2.5 秒角) で、点光源からの光の 95% 以上が分光器に入ります。

PSA または BOA を通過した後、光は、FUV、NUV、またはターゲット取得チャネルのいずれが選択されているかに応じて、2 つの光学選択ホイールの最初の 1 つにある光学系の 1 つ、つまり 3 つの FUV 回折格子の 1 つまたは最初の NUV コリメーション ミラー (表 1) のいずれかに移動します。最初のホイールのすべての光学系は、ハッブル球面収差を補正するために非球面プロファイルを備えています。

FUV チャネルには、2 つの中解像度分光モードと 1 つの低解像度分光モードがあります。FUV チャネルは、修正されたローランド サークル分光器で、単一のホログラフィックルール 非球面 凹面回折格子が入射光を同時に集束および回折し、HST 球面収差と極端なオフローランド レイアウトによって導入される収差の両方を補正します。回折光は、170 x 10 mm のクロス遅延ラインマイクロチャネル プレート検出器に集束されます。FUV 検出器のアクティブ領域は、分光器の焦点面に合わせて湾曲しており、小さな隙間で分離された 2 つの物理的に異なるセグメントに分割されています。

NUV チャネルには、3 つの中解像度分光モードと 1 つの低解像度分光モード、および約 1.0 秒角の視野角のないイメージング モードがあります。NUV チャネルは、修正されたツェルニー ターナー設計を採用しており、コリメートされた光が選択された格子に供給され、その後 3 つのカメラ ミラーが回折光を 25×25 mm のマルチ アノード マイクロチャネル アレイ (MAMA) 検出器の 3 つの別々のストライプに向けます。イメージング モードは、主にターゲットの取得を目的としています。^[2]

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• 光子不足危機

• ウィキメディア・コモンズの宇宙起源分光器に関連するメディア
• コロラド大学の宇宙起源分光器ウェブサイト
• 宇宙望遠鏡科学研究所 (STScI) の COS Web サイト