マルチユニット分光探査機

マルチユニット分光探査機（MUSE）は、ヨーロッパ南天天文台（ESO）の超大型望遠鏡（VLT）に設置された積分フィールド分光器です。 ^{[1] [2] [3]}可視波長範囲で動作し、^[1]広い視野と高い空間分解能、広い同時スペクトル範囲（480-930 nm）を兼ね備えています。^[4]特に、適応光学によって向上した空間分解能を活用するように設計されており、特定の構成で回折限界の性能を発揮します。 ^[1] MUSEは、2014年1月31日にVLTのユニット望遠鏡4（UT4）で初観測されました。^[5]

伝統的に、光学領域における天文観測は、撮像と分光に分けられてきました。前者は広い視野をカバーできますが、波長方向の解像度が非常に粗くなります。後者は、ファイバー分光器の場合は空間解像度が完全に失われ、長スリット分光器の場合は部分的に失われる傾向があり、最近の積分フィールド分光器の場合は空間分解能が粗いだけです。

MUSE は、高い空間分解能と良好なスペクトル範囲の両方を提供することでこの状況を改善するために考案されました。この装置の主任研究者は、ヨーロッパの 6 つの主要研究所からなるコンソーシアムの責任者であるリヨン天体物理学研究センター (CRAL)の Roland Bacon です。リヨン天文台の CRAL が主任研究所であり、装置の大部分の構築を主導しました。その他の関係機関には、ドイツ天体物理学研究所(IAG) とポツダム天体物理学研究所(AIP)、オランダ天文学研究学校(NOVA)、フランスの天体物理学および惑星学研究所(IRAP)、スイスのチューリッヒ工科大学、およびヨーロッパ南天天文台(ESO) があります。

プロジェクトは2005年1月18日に開始され、最終設計レビューは2009年3月に行われました。この装置は2013年9月10日にヨーロッパで最終承認されました。^[7] MUSEは2014年1月19日に4番目のVLTユニット望遠鏡のナスミスプラットフォームに取り付けられ、2014年1月31日に初光を見ました。

MUSE の視野は、球状星団や惑星状星雲など、天の川銀河の多くの天体とよく一致しています。高い空間解像度とサンプリングにより、MUSE は球状星団などの高密度領域で数千の星のスペクトルを一度に同時に観測できます。電離ガスと星が混在する星形成領域では、MUSE はこの領域全体の恒星と星雲の両方に関する情報を提供します。

MUSE の設計上の重要な目標は、赤方偏移 z > 6 までの通常の近傍銀河の起源を研究できるようにすることでした。これらの源は非常に微弱な場合があり、その場合はライマンアルファ輝線での放射を通じてのみ検出できます。このような銀河は、ライマンアルファ放射体と呼ばれることがよくあります。

このような源を研究する一般的な方法は狭帯域イメージングを使用することですが^[8]、この技術ではフィルターの幅によって決まる非常に狭い赤方偏移範囲しか一度に調査できません。さらに、フィルターの幅が輝線の典型的な幅よりも広いため、この方法は直接分光研究ほど感度が高くありません。

MUSE は 1'x1' の視野を持つ分光器であるため、同時に広範囲の赤方偏移 (ライマンアルファの場合、z = 2.9～6.65) にわたる輝線源の探索に使用できます。この装置は最大 100 時間の露出に使用されることが予想されており、その場合、限界フラックスは 3x10 ⁻¹⁹ erg/s/cm ²に達するはずです。これは、現在の狭帯域イメージング調査よりも 1 桁暗い値です。

MUSE は、近傍宇宙から少なくとも赤方偏移 1.4 までの銀河の動的特性を研究するための強力な装置になります。赤方偏移 1.4 を超えると、372.7 nm の [O II] 禁制輝線が分光器の赤い端から消えます。

低赤方偏移では、MUSE はあらゆる種類の銀河の運動学と恒星集団の 2 次元マップを提供します。これは、ウィリアム・ハーシェル望遠鏡の SAURON 装置で行われた科学を基にして拡張し、より大きな半径とより遠い銀河の両方に拡張します。狭視野モードでは、MUSE は巨大銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周囲の領域を拡大することができます。これにより、天文学者がこれらの巨大銀河の形成プロセス (おそらく 2 つのブラックホールが合体してより大規模な最終生成物を形成し、同時に銀河中心の恒星軌道を摂動させるという合体プロセスを通じて) を理解するのに役立つことが期待されています。

より高い赤方偏移では、MUSE は銀河内の金属分布のマップを作成する能力を提供し、同時にこれらのオブジェクトの動的構造に対する制約を提供します。これを広い視野による環境情報 (赤方偏移 0.7 で 1 分角は 430 キロパーセクに相当) と組み合わせると、銀河の特性が周囲の環境によってどのように影響を受けるかを非常に強力かつほとんど新しい方法で研究できるようになります。

MUSE には、7.5 x 7.5 秒角の視野と 750 nm での 0.042 秒角の空間分解能を備えた高空間分解能モードも備わっています。このモードの主な科学的用途は、近くの銀河にある超大質量ブラックホールの周囲の環境など、より近くのシステムを詳細に研究することです。特に、おとめ座銀河団までのほとんどの大質量銀河のブラックホールの影響圏や、かみのけ座銀河団の最も大質量の銀河についても解明できるようになります。

より身近なところでは、MUSE は近くの星形成領域のジェットや太陽系のさまざまな天体の表面を研究することができます。これは、例えばイオの火山活動の分光学的監視研究やタイタンの大気の分光学的研究を行うのに使用できます。

装置の科学的目的を達成するために、MUSE はいくつかの要件を満たす必要がありました。

• 機器は高いスループットを備えている必要があります。
• 非常に長い積分を実行する能力があるため、機器は非常に安定していなければなりません。
• この装置は適応光学と組み合わせることで、天球全体の視野全体にわたる限られた観測に比べて空間分解能の向上を実現できるはずです。
• 広い視野で調査作業が可能
• コストを削減するための効率的な生産と、容積と質量の制約内に収まる効率的な設計。

後者の 2 つの点を実現するために、分光器は 24 個の同一の積分フィールド ユニット(IFU) で構成されており、複製によってコストを削減しています。これらはそれぞれ優れた画像品質を備えており、機器プラン内の光は画像スライサーを使用してスライスされ、個々の IFU に送信されます。

分光器の設計により、検出器の傾斜によって軸色収差を補正し、MUSE のスペクトル帯域幅全体にわたって優れた画質を実現しました。このような設計では、 CaF ₂などの高価な光学材料は必要なく、全体的なコストを削減できます。

スループットは、高量子効率CCD を使用することで高く保たれます。また、グレーティングは 1 つだけ、高透過体積位相ホログラフィック グレーティングです。これにより、スループットは 700 ～ 800 nm 付近で 50% を超え、機器のほぼ全波長範囲にわたって 40% を超えます。

完全な機器の重量は 8 トン近くあり、基本的に Nasmyth プラットフォームの 50 m ³の容積を占めます。ただし、モジュール設計のため、24 個の IFU はそれぞれメンテナンスや修理のために取り外すことができます。そのために、IFU を安全に取り外したり挿入したりするための特別なクレードルが設計されました。

天球全体の空間分解能を向上させるために、MUSEはVLTのUT4にある適応光学装置^[13]の一部であるGALACSI ^[12]インターフェースを利用しています。適応光学(AO)コンポーネントはすべてナスミスデロテーターに搭載されており、AOシステムとMUSEの位置合わせを確実にするために計測システムが使用されます。これは、MUSEがナスミスプラットフォーム上に配置されているために必要です。

AO システムを搭載した MUSE は、広視野モードの 1'x1' 視野全体で、平均空間分解能 0.46 秒角、または赤方偏移 >3 で約 3 kpc を達成することが期待されています。狭視野モードでは、空間分解能は 750 nm で 0.042 秒角に達し、これはおとめ座銀河団の距離で約 3 pc の分解能に相当します。

MUSE による各露出では、24 個の IFU からのデータを含むデータファイルが 35 MB ずつ返されます。したがって、生データファイルの合計サイズは 0.84 GB です。データ削減後、データが浮動小数点値に変換され、エラー推定キューブが生成されるため、露出ごとに合計 3.2 GB に拡張されます。つまり、多数の短い露出に依存する観測では非常に大きなデータセットが生成され、非常に複雑なデータが 1 晩に 100 GB も簡単に生成されます。

^{[更新が必要]}

• このビデオ シーケンスは、衛星エウロパとその影が木星を通過する際の、MUSE による多数の個別の観測から作成されました。
• この図は、この装置がオリオン星雲の 3 次元画像をどのように提供するかを示しています。
• この図は、この装置が遠方の銀河の 3 次元画像をどのように提供するかを示しています。
• この図は、機器が NGC 4650A の 3 次元画像をどのように表示するかを示しています。
• この装置が NGC 4650A の 3 次元画像をどのように提供するかを示す別のビュー。
• この画像は、銀河 ESO 137-001 が広大なノルマ銀河団に落ち込み、ガスが剥ぎ取られる様子を MUSE が 3 次元で描写している様子を示しています。

ウィキメディア・コモンズには、 Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE)に関連するメディアがあります。

• リヨンのMUSEページ
• ESO の MUSE ページ
• MUSE 委託ブログ