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 ,

目次


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

DECIGO のロードマップ


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

DPF 概要


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

DPF ミッションの現状


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

初期宇宙の観測


DECIGO-PF


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

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 : 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

DPF システム概要


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

DPF が目指す科学的成果


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

DPF の観測対象


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

地球重力場観測


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

DPF が目指す科学的成果


DECIGO のための根幹技術実証


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

DPF で実証される科学技術


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

推進体制


DPF-WG 84 名DECIGO 137名

DPF 技術開発


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

DPF 技術開発


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

DPF 技術開発


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

SWIMmn 　センサーモジュール


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

SWIM 制御結果


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


　　　　まとめ　

DECIGO-PF


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


　終　

decigo パスファインダー

Documents