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1 KAGAYA studio スペース重力波アンテナ DECIGO 計画 (11) 安東正樹, 川村静児, 高橋龍一, 中村卓史, 坪野公夫, 田中貴浩, 瀬戸直樹, 沼田健司, 船木一幸, 森本睦子, 佐藤修一, 青柳巧介, 我妻一博, 阿久津智忠, 阿久津朋美, 浅田秀樹, 麻生洋一, 新井宏二, 荒瀬勇太, 新谷昌人, 井岡邦仁, 池上健, 石川毅彦, 石徹白晃治, 市來淨與, 伊東宏之, 伊藤洋介, 井上開輝, 植田憲一, 榎基宏, 戎崎俊一, 江里口良治, 大石奈緒子, 大河正志, 大橋正健, 大原謙一, 奥冨聡, 小野里光司, 鎌ヶ迫将悟, 河島信樹, 川添史子, 神田展行, 雁津克彦, 木内建太, 桐原裕之, 工藤秀明, 國中均, 國森裕生, クラウス ヴェルナー, 黒田和明, 小泉宏之, 郡和範, 苔山圭以子, 古在由秀, 小嶌康史, 固武慶, 小林史歩, 西條統之, 坂井真一郎, 阪上雅昭, 阪田紫帆里, 佐合紀親, 佐々木節, 佐藤孝, 柴田大, 真貝寿明, 杉山直, 宗宮健太郎, 祖谷元, 高野忠, 高橋走, 高橋忠幸, 高橋弘毅, 高橋竜太郎, 高森昭光, 田越秀行, 田代寛之, 谷口敬介, 樽家篤史, 千葉剛, 辻川信二, 常定芳基, 徳田充, 徳成正雄, 豊嶋守生, 内藤勲夫, 中尾憲一, 中川憲保, 中須賀真一, 中野寛之, 長野重夫, 中村康二, 中山宜典, 西澤篤志, 西田恵里奈, 西山和孝, 丹羽佳人, 橋本樹明, 端山和大, 原田知広, 疋田渉, 姫本宣朗, 平林久, 平松尚志, 福嶋美津広, 藤本眞克, 二間瀬敏史, 細川端彦, 堀澤秀之, 前田恵一, 松原英雄, 三浦純一, 蓑泰志, 宮川治, 三代木伸二, 向山信治, 武者満, 森岡友子, 森澤理之, 森脇成典, 柳哲文, 山崎利孝, 山元一広, 横山順一, 吉田至順, 吉野泰造

2 DECIGO のロードマップ Figure: S.Kawamura ミッシ R&D Fabrication R&D Fabrication R&D Fabrication ョン DICIGO Pathfinder (DPF) Pre-DECIGO DECIGO 目的 根幹技術の宇宙実証銀河系内観測 重力波の検出 ( 最小限のスペック ) S/C 間での FP 干渉計実証 重力波天文学 構成 小型衛星 1 機短基線長 FP 共振器 1 台 S/C 3 機干渉計 1 台 S/C 3 機干渉計 3 台 (3-4 ユニット )

3 DECIGO パスファインダー (DPF) DECIGO のための第一前哨衛星 最短 2012 年度打ち上げを目指す 小型衛星 1 機 (~300kg) 地球周回低軌道 ( 軌道高度 500km, 太陽同期軌道 ) 基線長 30cm の Fabry-Perot 光共振器 目的 1:DECIGO のための基幹技術の宇宙実証 安定化レーザーシステム レーザー干渉計を用いた精密計測 衛星のドラッグフリー制御 ( フリーマスの実現 ) 試験質量のクランプ リリース機構 ( 打ち上げ 軌道上 ) 目的 2: 低周波重力波の観測 レーザー干渉計重力波検出器による軌道上観測 ( 世界初の試み ) 地上での観測が困難な Hz の重力波を観測 ターゲット : 銀河中心付近の巨大 中間質量ブラックホール Local Sensor Actuator Thruster

4 DPF ミッション概要 打ち上げ目標 :2012( 最速の場合 ) ミッション期間 :1 年 ( 小型衛星計画公称 ) ロンチャー : 次期固体ロケット JAXA/ISAS にて開発中 +PBS (Post-Boost stage) 精密軌道投入のため 500km 軌道 : 地球周回低軌道 (LEO) 軌道高度 ~500km 太陽同期極軌道 :1 周約 100 分 地球の影に入らない 連続的な電力供給 高度は高い方がよい 地球の影響をできるだけ低減 ( 重力場, 地磁気, 残留大気 ) 姿勢制御 重力傾度安定による受動制御 + ドラッグフリー制御

5 DPF 衛星概略 DPF ミッションペイロード サイズ : 900mm 立方 重量 : 100kg 電力 : 200W データレート : 600kbps ミッションスラスタ : x16 Thruster Control Unit Mission Thrusters Stabilized Laser Central Processing Unit Housing Control Unit 電源 SpW 通信 Interferometer Module 衛星バス部 ( 標準バス 諸元 ) サイズ : 900mm 立方 重量 : 200kg SAP : 800W バッテリー : 50AH ダウンリンク : 2Mpbs データ容量 : 2GByte 3N スラスタ : x4 3 軸姿勢制御 Bus Thrusters Solar Paddle Interfererometer Control Unit

6 DPF ミッション機器構成 ミッション機器重量 : 100 kg ミッション機器空間 : 900 mm 立方 ドラッグフリー ローカルセンサで相対変動検出 スラスタ ホイールにフィードバック レーザー光源 Nd:YAG レーザー (1064nm) 出力 25mW 沃素による周波数安定化 ファブリー ペロー共振器 フィネス : 100 基線長 : 30cm テストマス : 質量 1kg

7 DPF 感度 干渉計諸元 レーザー光源 : 1064nm レーザー出力 : 25mW 共振器長 : 30cm フィネス : 100 試験マス質量 : 1kg 試験マス基材 : 金属 Noise level [1/Hz 1/2 ] Geogravity 鏡基材 : 溶融石英 鏡 Q ファクター : 10 6 PM acceleration Noise Laser Radiation pressure noise Thruster noise 運用温度 : 293K 衛星重量 : 300kg, Area: 2m 2 軌道高度 : 500km スラスタ雑音 : 0.1μN/Hz 1/ Frequency [Hz] Cavity length: 10cm Laser: 1064nm, 25mW Finesse: 100 Mirror mass: 1kg Q value of a mirror: 10 6 Laser Frequency noise Shot noise Mirror thermal Displacement Noise [m/hz 1/2

8 DPF で期待される重力波源 中間質量ブラックホール合体 合体までのチャープ波形 歪み振幅 h ~10-15 合体周波数 f ~4 Hz 距離 10kpc 質量 m=10 3 M sun 観測時間 (~ 数千秒 ) BH 準固有振動からの重力波 衝突後のリングダウン波形 歪み振幅 h ~10-15 リングダウン周波数 f ~0.3 Hz 距離 1Mpc 質量 m=10 5 M sun DPF では 我々の銀河中心でのイベントを SNR~5 で検出できる GW characteristic amplitude (Obs. band = Center frequency) Observable Range [kpc, SNR=5] BH QNM (1Mpc) Dopplar tracking 10 6 M o 10 5 M o DPF Fundamental noise DPF Estimated noises 10 4 M o BH chirp (10 3 M o, 10kpc) Frequency [Hz] BH Inspiral BH QNM Galactic Center Mass [M solar ]

9 JAXA 小型科学衛星シリーズ 2015 年までに 3-5 機の小型衛星を打ち上げる 開発期間とコストを圧縮する 宇宙科学への敷居を下げる 次期個体ロケット (M-V 後継機 : 開発中 ) 標準バスシステム 初号機ミッション (2011) : TOPS ( 惑星科学 ) TOPS イメージ図 (JAXA Web ページより ) 二号機ミッション :2008 年度末に選択 決定 15 候補ミッション ( 理学 + 工学 ) DPF : 重力波観測衛星 DIOS : ダークバリオン探査のための X 線望遠鏡 ERG : Plasma and particle detector for geo-space investigation FFAST : 小型衛星の編隊飛行による高エネルギー領域広天走査衛星 CAST : 高感度ガンマ線望遠鏡 ELMOS : 地球電磁環境モニター衛星 POLARIS : X 線ガンマ線偏光観測小型衛星 PPM-Sat : 超小型精密測位衛星 Satellite for Magnet-plasma sail technology demonstration..

10 DPF の現状 DPF の現状 タイムライン 2005/1 小型重力波検出器の提案書を提出 2006/11 DECIGO pathfinder (DPF) として重力波 検出器のミッション提案書を提出 2007/8 Pre-Phase-Aミッションとして選定 ISAS 小型科学衛星戦略的開発経費採択 (4-6 重点ミッションの一つに挙げられる ) 2008/6 ISAS 小型科学衛星戦略的開発経費採択 2008/9 Phase-A 提案書提出予定 /? Launch? DECIGO イメージ図 2008 年度中に Phase-A 提案書を提出 それまでに基礎技術開発を完了していることが必要 重点開発要素の R&D を行う レーザー光源の安定化 小型低雑音スラスタ ハウジング干渉計 ( 鏡 センサー アクチュエータ 打ち上げロック機構 ) ドラッグフリーと衛星制御 ミッション部熱構造設計

11 まとめ DECIGO Pathfinder: DECIGO のための第一前哨衛星 1 機の小型衛星 : JAXA 小型衛星シリーズ 搭載を想定 衛星重量 300kg, 地球周回低軌道 30cm Fabry-Perot 光共振器 安定化レーザーシステム ドラッグフリー制御 Local Sensor 目的 DECIGO のための基幹技術の宇宙実証 安定化レーザーシステム レーザー干渉計を用いた精密計測 衛星のドラッグフリー制御 ( フリーマスの実現 ) 試験質量のクランプ リリース機構 ( 打ち上げ 軌道上 ) 低周波重力波の軌道上初観測 観測周波数帯 : 0.1Hz-1Hz ターゲット : IMBHs at the Galactic center Actuator Thruster 現状 JAXA の小型衛星シリーズミッション ( 重点 ) 候補として挙げられる 2008/9 Phase-A 申請書提出 最速で の打ち上げを目指す

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