SPICA SE会議#2

Transcription

1 宇電懇シンポジウム SPICA 計画の経緯 現状 芝井広 ( 阪大 ),SPICA チーム あかり 遠赤外全天マップ 2014/12 公開

2 科学目的 3: 最高感度の宇宙赤外線天文台の実現 微惑星帯 Henning & Semenov 2013 銀河成長と惑星系形成: 多様で豊かな宇宙を生んだ二大過程の解明 ~1500K 地球型惑星 ~300K ~150K 小惑星帯 巨大惑星 ~50K 円盤ハローカイパーベルト領域 2. 惑星系形成過程の解明 1. 銀河成長 物質進化過程の解明 Riechers et al 最高感度の宇宙赤外線天文台の実現 1 6

3 冷却望遠鏡のメリット - 雑音源赤外線の大幅抑制による高感度化 SPICA's Coverage 2

4 これまでの経緯 2000 年度宇宙理学委員会が WG 設置を承認以降 戦略的開発研究費が交付される 宇宙 3 機関統合 宇宙科学長期計画 2007 年度大型衛星計画に提案 これまでの M ロケットを用いた衛星の規模 ( 中型衛星計画 ) を超えた 多くの分野が共同して支え 実施する フラッグシップミッション 2008 年度大型衛星計画としてミッション定義審査 MDR 合格以降プリプロジェクト発足技術検討の不十分問題 2010 年度大型衛星計画としてシステム要求審査 SRR 合格 2011 年度中型衛星を超える規模ならば 宇宙科学の外側からの貢献 ( 資金 人的体制 ) が必要以降 リスク低減フェーズ宇宙科学ロードマップ 大型は難しくなる日本学術会議 文部科学省ロードマップではともに最重点の評価 2013 年度 PLAN-Bへの変更戦略的中型程度の規模をめざす 2014 年度 PLAN-Bの困難顕在化 (6 月 ) 新しいPLAN 検討開始 ESA-JAXA 技術検討 (CDF) 3

5 ( 議事録抜粋 ) 2011 年 6 月の宇宙理学委員会における委員長見解 了承された 宇宙研宇宙理学委員会 1. SPICA は 学術会議 光天連 米国 decadal survey ESA cosmic vision で一致して推挙されている 日米欧で一致されて支持されるこのようなすぐれたミッション提案が宇宙科学研究所の WG から出たことは大変喜ばしいことであり 関係者のこれまでの努力を高く評価したい 2. すぐれた大型ミッションは 天文学 宇宙科学全体に広汎な進展をもたらす 宇宙理学委員会は SPICA が極めて高い科学的成果を生み出すと予想し 強く推薦するものである 3. SPICA の技術的困難さが指摘されているが SPICA の技術成立性の根幹は Herschel の 3.5m 望遠鏡技術と日本の冷凍機技術であり 主要な要素技術に対する成立性は確保されていると判断する 4. また欧州および米国から強力な焦点面装置の提供の申し出があり これが SPICA の魅力を増している 5. MDR と SRR の審査結果は 理学委員会における 2010 年までの議論で了承されている 6. しかし国産の焦点面装置 外国の供給する大型装置があり それらが複雑なインターフェースを持つことから 設計の進展と開発体制の具体化について プロジェクトと JAXA にさらなる努力を強くお願いする 一方 SPICA にかかる費用は 現在の宇宙科学研究所の予算規模を超えており このミッションの実施には予算的困難が予想される 7. このため 他の中型 小型ミッションへ大きな影響を与えないように 宇宙科学研究所は 予算の増額に特段の努力をすべきである これに理学委員は全面的に協力する ( すなわち 従来の宇宙科学研究所の範疇の開発予算からは 中型科学衛星 1 機分程度の投資に留め 不足部分は追加の JAXA 予算の調達をしていただきたい ) 8. もしこれが困難で 今後の宇宙科学プログラムに対して大きなインパクトを与える場合は 宇宙理学委員会は宇宙科学研究所と協力して必要な見直しを行う (SPICAの開発を中止す 4 ることを含めて 宇宙理学委員会が判断に寄与する )

6 PLAN-B での役割分担 望遠鏡 ( 欧 ESA) 焦点面観測装置 (FPIA) 遠赤外線観測装 (SAFARI) 蘭 + 欧州連合 ( 計 13か国 ) ペイロードモジュール 欧 (ESA) バスモジュール 中間赤外線観測装置 ( SMI) 焦点面ガイドカメラ (FAS) 機械式冷凍機 SPICA データセンター ( 国立天文台 ) サイエンス検討 ( 日 欧 韓 台 研究者 ) ロケット打ち上げ 5

7 SPICA プロジェクト実施体制 プロジェクト全体としては JAXA リードのもと ESA および欧州コンソーシアムとの密接な協力で 衛星全体の開発を進める 国内体制としては JAXA 宇宙科学研究所をコアとして JAXA 研究開発本部 環境試験技術センターなどの JAXA 内の密接な協力および 国立天文台 国内大学研究機関との密接な協力で開発を進める 特に日本が担当する焦点面観測機器については 大学コンソーシアムが主体となって開発を行う 6

8 SPICA Management Structure of Japanese side Japanese SPICA Team SMI (MIR) PI Hidehiro Kaneda (Nagoya U) ISAS (JAXA) Director General Saku Tsuneta Principal Investigator Hiroshi Shibai (Osaka U) Project Manager Takao Nakagawa (ISAS) Payload Module (JP) Hideo Matsuhara (ISAS) SAFARI (JP) Yasuo Doi (U Tokyo) M4 Science Core Team SPICA Science T/F Satoshi Yamamoto (U Tokyo) Project Scientist Takashi Onaka (U Tokyo) Data Center Issei Yamamura (ISAS) SPICA Data Center in Japan with NAOJ

9 衛星運用体制 ( 案 ) JAXA 宇宙研 Operational Ground Segment Science Ground Segment 国立天文台 JAXA Stations Mission Operation Center (MOC) Science Operation Center (SOC) Science Data Center (SDC) Non- European User Community (Japan) (East Asia) Instrument Control Centers (ICCs) ESA Stations ESA ESA Science Center (ESC) European Data Archive Center (ESDC) TBD European User Community 共同利用が基本であり データは広い範囲の研究者に公開される 8

10 新しい PLAN ( 仮称 PLAN-D) PLAN-Bでは ESA Cosmic Vision M4に応募する計画だった しかし -ヨーロッパ内研究者の意見統一が不十分 -ESA 側リスクと経費増大の懸念 (Mクラスとして) の問題点が 2014 年 6 月に顕在化した ESA-JAXA 共同技術検討 技術的に可能 かつ ESA の M クラス +JAXA の戦略的中型クラスで可能なミッション例 次世代の極低温冷却赤外線望遠鏡 参照モデル - 結果は公開される - JAXA の従来の検討 観測装置設計 サイエンス要求が入力された 2 月に結果公開予定 研究者 ( 日本の SPICA チームと欧州の SAFARI コンソーシアム ) 間の共同 口径 3m が実現できない可能性大 観測装置と観測計画の変更などを議論中 科学目的は不変であり 観測装置 計画を変更して M5 提案 日欧共同で SPICA コンソーシアム を結成する予定 (M4 M5:ESA の Cosmic Vision M クラスの第 4 5 番目のプロジェクト )

11 SPICA(JAXA) 型のデザイン 従来のデザイン H-IIA-5Sフェアリングに搭載できる案として 衛星 +Y 方向 ( 太陽 ) に垂直な面内をノミナル観測する ( 面外オフセットは -5~+30 度 ) サンシールドから鏡筒まで +Y 側は低吸収率 / 高反射率面 (+MLI) で断熱し -Y 側に放射冷却のためのラジェータ面を設けている 鏡筒 (30K) に必要なラジェータ面積を確保するため 中間温度のシールドはー Y 側で開かれている必要がある しかしそうすると打ち上げ時機械環境条件を満たさないので 中間温度シールドは パネル無しの多数のフレームによってー Y 側では構造的に支持されている 極低温ステージへの侵入熱を極力抑えるため メイントラスは軌道上で分離される GAIA の方式に比べて熱侵入量を軽減しやすく 高周波擾乱遮断の 効果も期待できる独自の CFRP バネを用いた分離機構を考案した 10

12 PLANCK 型のデザイン +Z ESA CDF 検討チームのPlanck 型デザイン 衛星 -Z 方向に太陽があり 望遠鏡は-Z 方向に垂直な面内を観測する ( 面外オフセットも +/-15 度程度検討中 ) これは半年で天空上のどこでも観測可能という科学的 要求を満たすため ロケットフェアリング内で望遠鏡は水平横向きとなる なお極低温熱負荷を減らすため トラス分離を GAIA で実証済みの方法で行う +X +Y 11

13 SPICA ミッション再定義のための活動計画 SPICA プリ プロジェクト 平成 23 年 平成 25 年 平成 26 年 1 月 5 月 3 月 5 月 平成 27 年 9 月 平成 29 年 7 月 リスク低減フェーズ 概念設計 ( 見直し ) 計画決定 2025 年度打上げ ( 想定 ) PLAN-A PLAN-B 移行 PLAN-B 破棄 計画変更審査 新生 SPICA プロジェクト化 宇宙科学研究所にて活動をサポート ミッション再定義 活動内容 : 以下を想定した実現可能なミッション構成を示し 今後の計画見直しを行う 日本 : 戦略的中型計画 ESA: Cosmic Vision M5 アウトプット : < 新生 SPICA 開発計画 > 実現可能なミッション構成案 上記に対応した科学目的 ( 見直し ) 日欧の役割分担およびコスト見積り スケジュール 12

14 SPICA Consortium 日本 欧州 M5 Proposal ESA NAOJ JAXA SRON SPICA-J Project SPICA Consortium SAFARI Consortium SMI Consortium 中間赤外観測装置 ( 日本 ) Scientists (outside of instrument teams) 装置チーム外研究者 SPEChO Consortium 系外惑星大気分光装置 ( 検討中 ) 遠赤外線観測装置 ( 欧州 +) 13

15 スペクトル線検出感度 (W/m 2 ) 最先端宇宙研究の一翼を担う スピッツアー宇宙望遠鏡極低温 (85cm) SOFIA ジェット機望遠鏡 ( 口径 2.5m) 望遠鏡を冷却することで観測性能が 100 倍向上 ハーシェル宇宙望遠鏡低温望遠鏡 (3.5m) 2010 年代 JWST 低温望遠鏡 (6.5m) 20 ミクロン SPICA 極低温望遠鏡 (2m 検討中) ミクロン 1 ミリメートル 波長 2020 年代 ALMA- 日米欧共同大規模電波干渉計

16 (2) ライン観測 2.4. グレーティング分光装置の検出限界 ( 続 ) 波長 100 mm 以上ではどの口径の場合も Confusion limit (confusion limit は 2.2 節の図と同じ ) Raymond et al. (2013) によれば ラインの等価幅が大きいときには Confusion の影響を 1/5~1/10 に低減することが可能 15

17 支援体制 評価 ISAS-SRON 両所長共同声明 光赤天連声明 天文学 宇宙物理学の展望と長期計画 (2010) 国家的に推進すべき計画として認定 日本学術会議の重点大型計画に選定 (27 件に入る ) 科学技術学術審議会ロードマップ 2014 に掲載 ( 最高評価 5 件に入る ) 宇宙政策委員会の宇宙科学ロードマップで 今後 10 年間で実行するプロジェクトの候補 ESA NASA が参加体制をスタンバイ

18 両所長声明 ISAS SRON 両所長声明 (2014 年 2 月 ) 17

19 光赤天連 の声明 18

20 日本学術会議 大型研究計画マスタープラン (2014) 重点大型研究計画 27 件の一つとして選ばれた ( 元のプラン ) 天文からは SPICA LiteBIRD SKA 天文学 宇宙物理学の展望と長期計画 (2010) 国家的に推進すべき計画として TMT SPICA LCGT 19

21 物理学 次世代赤外線天文衛星 SPICA 計画 計画期間 H26-H28: 設計 H29-H34: 製作試験 H34: 打上げ H34-H39: 観測運用 実施機関等 所要経費 ( 億円 ) 国内 : 宇宙航空研究開発機構 (JAXA) 東京大 名古屋大 大阪大 国立天文台等の大学 研究機関国外 : 欧州宇宙機構 (ESA) 等 総額 868 ( 概算 ) ( 日本側 538 欧州側 330) 日本独自の宇宙冷却技術と 赤外線天文衛星 あかり (2006 年打上げ ) の赤外線天体サーベイ観測の結果を活用し ヨーロッパの諸機関と共同して世界をリードする国際共同研究計画 宇宙の歴史においては 約 100 億年前を中心にして 恒星 惑星 銀河や 様々な元素が生成された この最も活発な時代の過程および現象を宇宙物理学的 定量的に研究し解明することが主目的 また 宇宙赤外線天文台として ほぼすべての宇宙 天文学研究分野で活躍が期待される 最高感度の宇宙赤外線望遠鏡 望遠鏡口径 3.2 メートル 極低温冷却 ( 絶対温度 6 K) 遠赤外線 中間赤外線 国際共同利用天文台として利用 2020 年代に太陽 - 地球系の第 2 ラグランジュ 点ハロー軌道に打ち上げて 5 年間の観測

22 科学技術学術審議会 ( 文部科学省 ) 学術研究のロードマップ 2014 新たな 10 計画の一つ aa 評価は 5 つ 21

23 宇宙政策委員会 新宇宙基本計画 ( 素案 ) から抜粋 ⅸ) 宇宙科学 探査及び有人宇宙活動 ( 中略 ) そこで 今後 10 年間では 戦略的に実施する中型計画に基づき 3 機 公募型小型計画に基づき 2 年に 1 回のペースで 5 機打ち上げるとともに 多様な小規模プロジェクトを着実に実行する 具体的には X 線天文衛星 (ASTRO-H) ジオスペース探査衛星 (ERG) 水星探査計画 (BepiColombo) 等のプロジェクトを進める また 国際共同ミッションである次世代赤外線天文衛星 (SPICA) の 2020 年代中期の打ち上げに関する検討も行う さらに 現在 ISAS において検討中のプロジェクトについては 検討結果を踏まえ 着実に進める また 太陽系探査科学分野については ボトムアップの議論に基づく探査だけではなく 効果的 効率的に活動を行える無人探査を学術的大局的観点からプログラム化して進める 具体的には 月や火星等を含む重力天体への無人機の着陸及び探査活動を目標として 特に長期的な取組が必要であることから 必要な人材の育成に考慮しつつ計画的に取り組む ( 文部科学省 ) 22

24 SPEChO EChO instrument on SPICA ESA の Cosmic Vision M3 で PLATO が選ばれた (2 月 ) 直後 EChO から SPICA に搭載したい という申し出があり さまざまな機会に議論した ( 英仏中心 ) (5 月の Leiden Workshop 9 月の Oxford Workshop) 波長 5-20 ミクロンの低 ( 中 ) 分散同時分光による 系外惑星大気のトランジット分光が主目的 極低温冷却を必要としない SPICA 全体 あるいは他の観測装置やサイエンスには大きい影響がないという前提で 搭載可能性を検討 JWST と比較してどのようなアドバンテージがあるかが焦点 23

25 サブミリ波高分散分光器 波長 ミクロンの高分散分光器の搭載可能性が検討されてきた 現在の SPICA-ALMA 間の波長帯ギャップを 高感度分光機能で埋める 遠方銀河および原始惑星系円盤のスペクトル線をほぼ 1 オクターブにわたってカバーすることになる SPICA が正式にスタートすれば 上記装置搭載の可能性を米国研究者と検討開始 24

26 科学目的 3: 最高感度の宇宙赤外線天文台の実現銀河成長と惑星系形成 : 重元素とダストが織りなす多様で豊かな宇宙を生んだ二大過程の解明 1. 銀河成長 物質進化過程の解明 2. 惑星系形成過程の解明 3. 最高感度の宇宙赤外線天文台の実現 25 6