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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
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
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
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
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
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 )
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
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
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
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 )
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 )
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
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
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
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 )
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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