小型重力波検出器 decigo パスファインダー

第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹)

小型重力波検出器小型重力波検出器DECIGODECIGO パスファインダーパスファインダー

安東正樹安東正樹，川村静児，船木一幸，高島健，川村静児，船木一幸，高島健 , , 坂井真一郎，坂井真一郎，神田展行，佐藤修一，植田憲一，武者満，森脇成典，田中貴浩，神田展行，佐藤修一，植田憲一，武者満，森脇成典，田中貴浩，山川宏山川宏 , , 高橋龍一，中村卓史，坪野公夫，沼田健司，瀬戸直樹，高橋龍一，中村卓史，坪野公夫，沼田健司，瀬戸直樹，青柳巧介，我妻一博，阿久津智忠，阿久津朋美，浅田秀樹，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，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，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，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，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，雁津克彦，木内建太，桐原裕之，工藤秀明，國中均，國森裕生，ク大原謙一，奥冨聡，小野里光司，鎌ヶ迫将悟，河島信樹，川添史子，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，穀山渉ラウス・ヴェルナー，黒田和明，小泉宏之，郡和範，穀山渉 , , 苔山圭以子，古在由秀，小嶌康史，固武慶，小林史歩，西條統之，阪上苔山圭以子，古在由秀，小嶌康史，固武慶，小林史歩，西條統之，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，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，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，洪橋本樹明，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，洪鋒雷鋒雷 , , 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，森岡友子，森澤理之，森本睦子，柳哲文，山崎利孝，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，森岡友子，森澤理之，森本睦子，柳哲文，山崎利孝，山元一広，横山順一，吉田至順，吉野泰造山元一広，横山順一，吉田至順，吉野泰造

第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 2

DECIGODECIGO ロードマップロードマップ

DECIGOのロードマップ　

LISALPF

Ad. LIGOLCGT


概要概要

DECIGO パスファインダー (DPF)の概要 DECIGO-PF　　衛星 : 100cm 立方 , 100kg級 , 1 機 , 地球周回軌道フリーマスで構成された基線長 10cmの FP共振器　　レーザー光源とその安定化システムドラッグ・フリーの組み込み　　

重力波の観測　　　 (5) 小型重力波検出器による低周波数の重力波の観測 (6 ヶ月間 ) 地上での観測が困難な 0.1-10Hzの重力波を観測　　実際に検出されない場合　 → これまでに無い周波数帯で，上限値を与える

Local Sensor

Actuator

Thruster

DECIGOのための宇宙実証試験　　　 (1) 衛星のドラッグフリー制御の実証試験　　　 (2) レーザー光源とその安定化システムの宇宙実証試験 (3) レーザー干渉計 (FP共振器 )制御の宇宙実証 (4) クランプ・リリース機構の宇宙実証試験


DPFDPF ミッション機器ミッション機器

DPF ミッション機器構成

ファブリー・ペロー共振器　フィネス : 100 　基線長 : 10cm 　テストマス : 質量 1kg PDH法により信号取得・制御

安定化レーザー光源

位相変調器

信号発生器

アイソレータ

外部共振器

信号復調

周波数安定化制御光検出器

重力波検出器(ファブリ・ペロー干渉計)

干渉計制御

光検出器

ファイバカプラ

鏡

アクチュエータ

重力波信号

光ファイバ

ファイバカプラ

信号復調

ケージング(クランプ・シールド)

ローカルセンサ

ドラッグフリー制御

倍波Nd:YAG レーザー光源

スラスタ

ホイール

レーザー光源 Nd:YAGレーザー出力 25mW 外部共振器による周波数安定化

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

ミッション機器重量 :20-100kgミッション機器空間 : 40-70 cm 立方


DPFDPF 軌道設定軌道設定

DPF軌道

DP

F

軌道の選択　　実現性の高さ (コスト , 打ち上げ機会 ) 運用のやり易さ (電力の供給 , 通信 )　　地球重力場などによる雑音

太陽同期極軌道高度 750km

750km

メリット　　ピギーバックによる打ち上げ機会が期待できるコスト面で実現性が高い地球の影に入らない連続的な電力供給運用のやり易さ (電力の供給 , 通信 )デメリット　　地球の影響を十分に検討する必要がある ( 重力場 , 地磁気 , 残留大気 )


10–2 10–1 100 101 10210–18

10–17

10–16

10–15

10–14

10–13

10–12

10–11

10–19

10–18

10–17

10–16

10–15

10–14

10–13

10–12

No

ise

lev

el

[1

/Hz1/

2 ]

Frequency [Hz]

Shot noise

Mirror thermal

Laser Radiation

Laser: 532nm, 100mWFinesse: 100Mirror mass: 1kgQ–value of a mirror: 10 6

Cavity length: 10cm

pressure noiseThruster noise

Geogravity

Dis

pla

ce

me

nt

No

ise

[m

/Hz1/

2 ]

DPFDPF 感度デザイン感度デザイン

重力波に対する感度衛星重量 : 100kg, 衛星実効面積 : 1m2

衛星高度 : 750kmスラスタ雑音 : 0.1μN/Hz1/2

光源 : 532nm, 100mW 共振器長 : 10cmフィネス : 100, 鏡質量 : 1kg鏡Q値 : 105 　 , 基材 : 溶融石英温度 : 293K

PM acceleration NoiseLaser Frequency

noise


DPFDPF の観測対象の観測対象

DPFで期待できる重力波源BH準固有振動からの重力波

h ~ 10-15 , f ~ 0.3 Hz 距離 1Mpc, m = 105 Msun

中間質量ブラックホール合体

h ~ 10-15 , f ~ 4 Hz 距離 10kpc, m = 103 Msun

10–2 10–1 100 101 10210–17

10–16

10–15

10–14

10–13

10–12

GW

ch

arac

teri

stic

am

plit

ud

e

Frequency [Hz]

Dopplar105Mo

DPF

(Ob

s.

ba

nd

= C

en

ter

fre

qu

en

cy

)

tracking

BH QNM(1Mpc)

BH chirp(103Mo, 10kpc)

DPFFundamental noise

106Mo

104Mo

Estimated noises

103 104 105 10610–1

100

101

102

Ob

serv

able

Ran

ge

Mass [Msolar]

[kp

c, S

NR

=5

]

Galactic Center

BH QNM

BH Inspiral


実現への道筋実現への道筋

DECIGO パスファインダー (DPF)」を 2012 年頃に打ち上げることを目標にしている　現在 2 つの道筋がありえる : (1) JAXAで公募している　「小型衛星打ち上げ機会の提供」に応募　　　　　　ピギーバックとして JAXAが打ち上げ費用を負担してくれる衛星の製作や試験は全て自前で行う費用も自分で確保できる場合は , 打上げられる可能性は高い応募中の特定領域研究申請書ではこれを前提としている

(2) ISAS/JAXAの小型科学衛星の枠組みでの打ち上げ ISASで進めている小型衛星標準バスに搭載する　小型衛星ワーキンググループを公募　　　　　　　ＤＰＦはその 1つとして認められている 4/13 (Fri) 「小型科学衛星ＷＧ第一回研究会」　　　　　 5 月　「科学推進戦略的開発研究費」への応募資格 2 年程度を目処に技術開発「バスに関してミッション系の方々を煩わせる事は小型科学衛星に関しては無いようにこちらでは努力しています。」

状況は、今後変化していく可能性がある　　　「自分達が何をしたいか」を明確にしておく必要がある


宇宙理学委員会・小型衛星宇宙理学委員会・小型衛星WGWG

小型衛星計画ワーキンググループとして承認されているもの(2007.04.04 現在 )

1 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 (FFAST)

常深博 ( 大阪大学 )

2 超小型精密測位衛星 (PPM-Sat) 津田敏隆 (京都大学生存圏 )

3 高感度ガンマ線望遠鏡 (CAST) 高橋忠幸 (ISAS/JAXA)

4 小型重力波観測衛星 (DPF) 安東正樹 ( 東京大学 )

5 ダークバリオン探査衛星 (DIOS) 大橋隆哉 (首都大学東京 )

6 超高層大気撮像観測小型衛星 (IMAP) 齊藤昭則 (京都大学 )

7 地球電磁環境モニター衛星 (ELMOS) 小山孝一郎 (首都大学東京 )

8 惑星観測用小型宇宙望遠鏡 (TOPS) 高橋幸弘 ( 東北大学 )

9 小型衛星によるジオスペース探査 (ERG) 小野高幸 ( 東北大学 )

10 Ｘ線ガンマ線偏光観測小型衛星 (POLARIS)

林田清 ( 大阪大学 )


進め方・最近の状況進め方・最近の状況

DPF の仕様 , 要求値を取りまとめることが大事 DPF をサブシステムに分け、

それぞれに対する要求値と仕様を定める作業を行う(1) 1 ヶ月程度を目安に各サブシステムのリーダーが、担当部分の　概念設計・仕様・要求値、開発のための予備実験 ( 必要に応じて ) をまとめる(2) それらを持ち寄ってブレインストーミング的な会合を開き、

お互いに共通認識を持つとともに、様々なトレードオフの調整を行い、仕様をより詳細に定める

(3) それらを取りまとめて、ミッション全体の概念設計と仕様・要求値を仕上げる ( サイズ , 重量 , 電力 , 振動・磁場・温度環境 , データレート , 信号処理 ,

　　　　　　制御 , 費用 , などなど )

4/4 DPF 検討会　　　　　材料集め何が出来るのか ?, 何が必要か ? 知識の共有　　　　　今後 2 年間でやることの方向性を見出す4/13 小型科学衛星 WG 第一回検討会 (@ ISAS) 　小型科学衛星の候補として発表


DPFDPFサブシステムサブシステム

DPFサブシステム構成

DPFをサブシステムに分割各サブシステムで仕様・要求値を検討


DECIGODECIGO組織組織

DECIGO暫定組織図DPF: ミッションフェーズの組織Pre-DECIGO, DECIGO: 検討フェーズの組織

(2007.03.13版 )


　　　　　　　　　　終終　


DPFDPF 開発体制開発体制

DPF 研究体制・開発コスト

開発期間 : 5 年半開発コスト : 8億円を見込む (打上げ費用は含まず )

さまざまな機関から 59名が参加

取り組み

平成 19 年度文部科学省科学研究費　特定領域研究の柱として申請中

JAXA/ISAS 宇宙理学委員会　から小型科学衛星計画ワーキンググループの 1つとしての承認を得た

現時点での基本概念設計をまとめるため「DPF ミッション提案書」を作成


研究計画研究計画

研究計画1 年目：　概念設計およびブレッドボードモデルの開発　　　ブレッドボードモデルの作製，動作．衛星本体とインターフェース部の基本設計　　　 DECIGO パスファインダーの基本設計 2 年目：　ブレッドボードモデルの性能評価とエンジニアリングモデルの設計　　　ブレッドボードモデルの性能の評価 , 感度の向上実験要求値を満たすよう改良エンジニアリングモデルの設計 3 年目：　エンジニアリングモデルの製作　　　各開発要素 (ドラッグフリー制御技術 , Nd:YAGレーザー光源 , 外部共振器による周波数安定化 )　　　重力波観測装置部のエンジニアリングモデルの製作，各種試験　　　実際に打ち上げる衛星全体の詳細設計を完成させる4 年目：　プリ・フライトモデルの開発　　　実際に打ち上げる仕様での試験機 ( プリ・フライトモデル ) の製作と試験 5 年目：　フライトモデルの製作と試験　　　フライトモデルの振動試験・宇宙環境試験6 年目：　打ち上げと動作　　　打ち上げと軌道上の宇宙実証試験半年間の重力波観測　


既存技術既存技術

既存技術のまとめ

(5) 重力波の観測地上観測 : 豊富な観測実績 (100Hz 以上 ) 信号取得・処理 : データレート , 信号処理能力とも実現可能な範囲 .

(1) 衛星のドラッグフリー制御スラスタ : 100μN級スラスタは実現可能 . 雑音特性の評価は必要 . 姿勢制御 : 「れいめい」などでの実績 . ホイールの雑音特性評価が必要 . 制御則 : 原理的な問題はない . シミュレーションによる確認が必要 .(2) レーザー光源・安定化レーザー光源 : 宇宙用Nd:YAGレーザー光源は入手可能 . 周波数安定化 : 地上では必要な安定度が実現されている . 振動・温度環境が重要 .(3) レーザー干渉計制御光学素子 : 地上干渉計での実績 . 機械強度の試験が必要 . 干渉計制御 : 地上干渉計での実績 . (4) クランプ・リリース機構クランプ・リリース : 他プロジェクトでは解決 . 技術の導入 , 試験が必要 . ローカルセンサ : 手法は確立されている . 試験マスアクチュエータ : 手法は確立されている . 温度安定化 : 地上では実現可能 . 宇宙で実現するための設計と試験が必要 .


開発方針開発方針

重点開発項目

(5) 重力波の観測信号取得・処理系の試作と試験 . 重力波源とデータ解析手法の研究 .

(1) 衛星のドラッグフリー制御 100μN級スラスタの試作と雑音特性などの評価 , 改良 . シミュレーションによる制御トポロジー検証 .(2) レーザー光源・安定化宇宙仕様を想定した周波数安定化実験と改良 .(3) レーザー干渉計制御干渉計構成コンポーネントの試験 . 干渉計デザインと各種雑音源の評価 .(4) クランプ・リリース機構クランプ・リリースの試作と評価 . ハウジングデザインと試験 (温度安定化 , 真空度 ).

今後 2 年間で , 主要な要素技術を確立する .


DECIGO-PFDECIGO-PF システム構成システム構成

DPFサブシステム構成


DECIGO-PF (11)DECIGO-PF (11)

DPFの主要パラメータ



DPF 重量配分案



DPF費用見積もり


各計画研究の目的・スコープ各計画研究の目的・スコープ

題目目的・スコープ

DECIGO パスファインダー DPFの開発、製作、打ち上げ、運用

地上シミュレーター地上シミュレーターによる力の雑音の測定と低減化クランプリリース機構の開発DPF用クランプリリースシステムの製作DFI、QNDによる力の雑音の低減化の可能性

測距技術光学素子の開発測距技術の開発および測距雑音の低減化

ドラッグフリードラッグフリーシステムの開発DPF用ドラッグフリーシステムの製作

スラスタースラスターの開発DPF用スラスターの製作

光源光源の開発DPF用光源（周波数安定化を含む）の製作

周波数安定化周波数安定化システムの開発

PTA 那須 PTA 建設および運用

鹿島既存のアンテナの運用

理論・解析理論 DECIGO（DPF)、 PTAのための重力波源の理論的研究

シミュレーション DECIGO（DPF）、 PTAのための重力波源のシミュレーションによる研究

解析 DPF、 PTAのデータ解析DPFのデータ解析システムの開発

小型重力波検出器 decigo パスファインダー

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