decigo パスファインダー

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DECIGO パスファインダー. 安東正樹 ( 京都大学・大学院理学研究科 ), 川村静児 , 佐藤修一 , 中村卓史 , 坪野公夫 , 新谷昌人 , 船木一幸 , 井岡邦仁 , 神田展行 , 森脇成典 , 武者満 , 中澤知洋 , 沼田健司 , 坂井真一郎 , 瀬戸直樹 , 高島健 , 田中貴浩 , 長野重夫 , 我妻一博 , 青柳巧介 , 新井宏二 , 浅田秀樹 , 麻生洋一 , 千葉剛 , 戎崎俊一 , 江尻悠美子 , 榎基宏 , 江里口良治 , 藤本眞克 , 藤田龍一 , - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: DECIGO パスファインダー

DECIGO パスファインダー

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

安東正樹 ( 京都大学・大学院理学研究科 ), 川村静児 , 佐藤修一 , 中村卓史 , 坪野公夫 , 新谷昌人 , 船木一幸 , 井岡邦仁 , 神田展行 , 森脇成典 , 武者満 , 中澤知洋 , 沼田健司 , 坂井真一郎 , 瀬戸直樹 , 高島健 , 田中貴浩 , 長野重夫 ,我妻一博 , 青柳巧介 , 新井宏二 , 浅田秀樹 , 麻生洋一 , 千葉剛 , 戎崎俊一 , 江尻悠美子 , 榎基宏 , 江里口良治 , 藤本眞克 , 藤田龍一 , 福嶋美津広 , 二間瀬敏史 , 雁津克彦 , 原田知広 , 橋本樹明 , 端山和大 , 疋田渉 , 姫本宣朗 , 平林久 , 平松尚志 , 洪鋒雷 , 堀澤秀之 , 細川瑞彦 , 市來淨與 , 池上健 , 井上開輝 , 石徹白晃治 , 石原秀樹 , 石川毅彦 , 石崎秀晴 , 伊東宏之 , 伊藤洋介 , 河島信樹 , 川添史子 , 岸本直子 , 木内建太 , 小林史歩 , 郡和範 , 小泉宏之 , 小嶌康史 , 苔山圭以子 ,穀山渉 , 固武慶 , 古在由秀 , 工藤秀明 , 國森裕生 , 國中均 , 黒田和明 , 前田恵一 , 松原英雄 , 蓑泰志 , 宮川治 , 三代木伸二 , 森本睦子 , 森岡友子 , 森澤理之 , 向山信治 , 内藤勲夫 , 中村康二 , 中野寛之 , 中尾憲一 , 中須賀真一 , 中山宜典 , 西田恵里奈 , 西山和孝 , 西澤篤志 , 丹羽佳人 , 能見大河 , 大渕喜之 , 大橋正健 , 大石奈緒子 , 大河正志 , 岡田則夫 , 小野里光司 , 大原謙一 , 佐合紀親 , 西條統之 , 阪上雅昭 , 阪田紫帆里 , 佐々木節 , 佐藤孝 , 柴田大 , 真貝寿明 , 宗宮健太郎 , 祖谷元 , 杉山直 , 諏訪雄大 , 鈴木理恵子 , 田越秀行 , 高橋史宜 , 高橋走 , 高橋慶太郎 , 高橋竜太郎 , 高橋龍一 , 高橋忠幸 , 高橋弘毅 , 高森昭光 , 高野忠 , 谷口敬介 , 樽家篤史 , 田代寛之 , 鳥居泰男 , 豊嶋守生 , 辻川信二 , 常定芳基 , 上田暁俊 , 植田憲一 , 歌島昌由 , 若林野花 , 山川宏 , 山元一広 , 山崎利孝 , 横山順一 , 柳哲文 , 吉田至順 , 吉野泰造 ,

Page 2: DECIGO パスファインダー

目次

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

イントロダクションDPF の概要・科学的意義    観測による成果    科学技術の確立ミッションの現状     開発研究の現状    推進・協力体制    ミッション審査の現状まとめ

Page 3: DECIGO パスファインダー

DECIGO のロードマップ

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

Figure: S.Kawamura

2007 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

ミッション

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 台 干渉計 1 台

S/C 3 機 干渉計 3 台 (3-4 ユニット )

DECIGO Pathfinder (DPF)

Pre-DECIGO DECIGO

R&DFabrication

R&DFabrication

R&DFabrication

SDS-1/SWIM

Page 4: DECIGO パスファインダー

DPF 概要

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

安定化レーザー光源

干渉計モジュール衛星バス

太陽電池パドル

ミッションスラスタヘッド

中央処理演算器

衛星バス 3N スラスタ

マスト構造

  小型衛星 1 機 (95cm 立方 x2, 350kg) 地球周回軌道 高度 500km

DECIGO のための前哨衛星小型科学衛星 2 号機 (~2013 年 )     候補としてミッション提案中

宇宙・地球の観測  重力波の観測

DECIGO のための宇宙実証   科学技術の確立

地球重力場の観測

Page 5: DECIGO パスファインダー

DPF ミッションの現状

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

JAXA の小型科学衛星シリーズの候補

標準衛星バス + 次期固体ロケットを利用して、 最低 3 機の小型科学衛星 を打ち上げる計画 最初のミッション (2012 年 ): SPRINT-A

2 番目のミッション  : 選定中

候補 : ERG, DPF, FFAST など 5 ミッション

小型科学衛星 1 号機 SPRINT-A ( 旧TOPS)

DPF に対する 小型科学衛星専門委員会 のコメント高い評価・重力波検出という明確な位置付け・他計画とは異なる独自性・宇宙への参入に積極的

問題点・ DPF 単独ミッションの意義・目標 小型科学衛星一機分としての説得力・実現可能性

2008 年 9 月 ミッション提案書募集 決定せず2009 年 3 月 2 号機ミッション再募集

Page 6: DECIGO パスファインダー

初期宇宙の観測

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

Page 7: DECIGO パスファインダー

DECIGO-PF

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DECIGO パスファインダー (DPF)

  小型衛星 1 機 (95cm 立方 x2, 350kg) 地球周回軌道 ( 高度 500km, 太陽同期軌道 ) フリーマス x2 基線長 30cm 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

宇宙・地球の観測

Local Sensor

Actuator

Thruster

DECIGO などのための科学技術の確立

DECIGO のための最初の前哨衛星DECIGO の 1000km の腕を 1 機の衛星に凝縮

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DPF ミッション機器構成

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

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 PDH 法により信号取得・制御

レーザー光源 Yb:YAG レーザー 出力 25mW ヨウ素飽和吸収による         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   スラスタにフィードバック

ミッション機器重量 : 150kgミッション機器空間 : 95 cm 立方

Page 9: DECIGO パスファインダー

DPF システム概要

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

安定化レーザー光源

干渉計モジュール

衛星バス

太陽電池パドル

ミッションスラスタヘッド

中央処理演算器

衛星バス 3N スラスタ

マスト構造

Satellite Bus (‘Standard bus’ system)

DPF PayloadSize : 950mm cubeWeight : 150kgPower : 130WData Rate: 800kbpsMission thruster x12

Power SupplySpW Comm.

Size : 950x950x1100mmWeight : 200kgSAP : 960W Battery: 50AHDownlink : 2MpbsDR: 1GByte3N Thrusters x 4

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DPF が目指す科学的成果

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

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DPF が目指す科学的成果

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

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グローバルCOEオープニングシンポジウム (February 18, 2009 京都大学百周年時計台記念館) 12

観測周波数帯と観測対象

10–4 10–2 100 102 104

10–26

10–24

10–22

10–20

10–18

10–16

Frequency [Hz]

Stra

in

[1/H

z1/2 ]

DECIGO 基線長 107 m, マス 100kg, レーザー光 10W, 波長 532nm テレスコープ径 1m

LCGT

重力崩壊型超新星爆発

中性子星連星合体

ScoX-1 (1yr)パルサー

   (1yr)

銀河系内連星バックグラウンド雑音

大質量ブラックホール     連星合体

銀河系内連星LISA

重力場変動雑音 ( 地上検出器 )

初期宇宙からの重力波 (Wgw=10-14)

地上干渉計 : 10Hz - 1kHz 中性子星などDECIGO : 0.1 - 1Hz 中間質量 BH など , 初期宇宙からの重力波LISA : 1mHz – 10mHz 大質量 BH など

Page 13: DECIGO パスファインダー

DPF の観測対象

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DPF で期待できる重力波源

銀河中心でのイベントを    SNR~5 で検出できる

BH 準固有振動からの重力波

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

Msun

中間質量ブラックホール合体

観測時間 (~ 数千秒 )

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

Msun KAGAYA

103 104 105 10610–1

100

101

102

Obs

erva

ble

Ran

ge

Mass [Msolar]

[kpc

, SNR

=5]

Galactic Center

BH QNMBH Inspiral

我々の銀河中心付近の ブラックホールに関連する現象

他の手段では観測が困難 これまでにない観測結果となる

Page 14: DECIGO パスファインダー

地球重力場観測

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

人工衛星の軌道から地球重力ポテンシャルを検知  軌道検知用GPS受信機 , および加速度計で構成

地球重力場観測 Global な重力ポテンシャルの決定 密度分布のモニタ 地球規模の水の監視技術  (海洋・陸水・氷床等)   地球環境モニタ 地震・火山噴火にともなう  地殻変動の検知・予測

GPS 衛星

GRACE と GRACE-FO の間の期間 2012-16 年を埋める可能性   独自の成果 , 国際貢献

東京大字地震研・新谷氏、京都大学・福田氏の資料 / 情報提供

Page 15: DECIGO パスファインダー

DPF が目指す科学的成果

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

Page 16: DECIGO パスファインダー

DECIGO のための根幹技術実証

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DECIGO で必要 とされる主要技術

基線長 1000km の FP 干渉計  宇宙における干渉計制御  試験マスに対する外乱抑圧 大型光学系の製作・制御安定化レーザー光源による精密計

測 光源の周波数・強度安定化 長基線長を利用した安定化制御フォーメーションフライト 安定な軌道の実現 宇宙機間の距離制御 ドラッグフリー制御 低雑音スラスタ観測運用 時系列連続データの処理 データの解析 理論予測・他の観測との比較

DPF で実証される技術

衛星変動安定度 10-9 m/Hz1/2

0.5 Hz/Hz1/2

の周波数安定度

6x10-16 m/Hz1/2

   の変位感度 4x10-18 m/Hz1/2

の変位感度

10-14 N/Hz1/2

  の外力雑音 10-17 N/Hz1/2

の外力雑音

スラスタ雑音 10-7 N/Hz1/2

0.1 Hz 帯の連続観測とデータ解析

宇宙干渉計  による  精密計測

安定化レーザー の宇宙実証

ドラッグフリー 制御の実現

重力波観測

Page 17: DECIGO パスファインダー

DPF で実証される科学技術

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DPF で実証される技術

衛星変動安定度 10-9 m/Hz1/2

0.5 Hz/Hz1/2

の周波数安定度

6x10-16 m/Hz1/2

   の変位感度

10-14 N/Hz1/2

  の外力雑音

スラスタ雑音 10-7 N/Hz1/2

宇宙干渉計  による  精密計測

安定化レーザー の宇宙実証

ドラッグフリー 制御の実現

意義・波及効果宇宙空間での精密計測技術

基礎物理学実験 無重力環境下での精密計測宇宙・衛星内環境のより深い理解

宇宙空間での高い安定度の実現さまざまな応用 地球環境観測 (ADM-Aeolus, GIFTS), 基礎物理実験 , マイクロ波標準 , 通信 (ACES), 惑星探査 (TPF-C), X 線観測 (MAXIM), フォーメーションフライト (LISA, GRACE-follow-on)長時間安定な無重力環境

宇宙環境利用の新しい可能性 基礎物理学実験 , 材料工学フォーメーションフライト のための基礎技術 (TPF-C, LISA, GRACE follow-on)小型低雑音スラスタの宇宙実証

Page 18: DECIGO パスファインダー

推進体制

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DPF-WG 84 名DECIGO 137名

Page 19: DECIGO パスファインダー

DPF 技術開発

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

検討・開発の現状 (1)

安定化レーザー光源 Yb:YAG (NPRO) 光源 ヨウ素飽和吸収による安定化制御 安定度向上 , パッケージ化

武者氏資料より

武者氏 講演

佐藤氏資料より

干渉計・ハウジング プロトタイプの設計・製作 基本性能の試験 地球重力場観測用センサの試作

新谷氏資料より

佐藤氏 , Sun 氏 講演

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DPF 技術開発

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

検討・開発の現状 (2)

姿勢制御・ドラッグフリー 構成 ( 構造・制御則 ) の検討   重力傾度安定による受動安定化

   衛星にマスト構造を取り付ける    ミッション部スラスタによるドラッグフリー制御

スラスタ 既存技術のシステム化検討 推力雑音評価装置  ( スラスタスタンド ) 製作  スリット型 FEEP の試作

船木氏資料より

森脇氏資料より

森脇氏 講演

船木氏 講演

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DPF 技術開発

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

検討・開発の現状 ( 3)

信号処理・制御  SpaceWire/SpaceCube    SDS-1/SWIM   1/23 打上げ 宇宙実証試験

写真:JAXA

CPU: HR5000 (64bit, 33MHz) System Memory: 2MB Flash Memory 4MB Burst SRAM 4MB Asynch. SRAM Data Recorder: 1GB SDRAM 1GB Flash Memory SpW: 3ch

SpaceCube2: Space-qualified Computer

SWIMmn : User Module Processor test board GW+Acc. sensor FPGA board DAC 16bit x 8 ch ADC 16bit x 4 ch 32 ch by MPX Torsion Antenna x2 ~47g test massSize: 71 x 221 x 171

Weight: 1.9 kg Power: 7W

Data Rate : 380kbps Size: 124 x 224 x 174 Weight: 3.5 kg Power: ~7W

Photo by JAXAPhoto by JAXA

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SWIMmn  センサーモジュール

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

超小型重力波検出器   SpW 通信の宇宙実証のためのセンサーモジュール 将来の宇宙重力波望遠鏡のための最初のステップ

Test mass

Photo sensor

Coil

TAM: Torsion Antenna Module with free-falling test mass (Size : 80mm cube, Weight : ~500g)

Reflective-type optical displacement sensorSeparation to mass ~1mmSensitivity ~ 10-9 m/Hz1/2

6 PSs to monitor mass motion

~47g Aluminum, Surface polishedSmall magnets for position control

Used for test-mass position controlMax current ~100mA

2 TAMs in the

frame

SWIMmn Module

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SWIM 制御結果

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

試験マスの 非接触浮上制御

09/03/14 14 時頃 (JST)  ノルウェー上空

鉛直

制御

回転

制御

Z ON

Yaw ON

再現性良く、安定に  制御されている

最長データ ~800秒

Page 24: DECIGO パスファインダー

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

     まとめ 

Page 25: DECIGO パスファインダー

DECIGO-PF

第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

DECIGO パスファインダー (DPF)

  小型衛星 1 機 (95cm 立方 x2, 350kg) 地球周回軌道 ( 高度 500km, 太陽同期軌道 ) フリーマス x2 基線長 30cm 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

宇宙・地球の観測

Local Sensor

Actuator

ThrusterDECIGO などのための科学技術の確立

DECIGO のための最初の前哨衛星小型科学衛星 2 号機 (~2013 年 )     候補としてミッション提案中

実現に向けて , 着実に進んでいる

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第 7 回 スペース重力波アンテナ DECIGO ワークショップ (2009 年 4 月 23 日 , 国立天文台 , 三鷹 )

  終