赤外線位置天文観測/測光観測衛星
JASMINE"JASMINE": Japan Astrometry/photometry
Satellite Mission for INfrared Exploration

2024年9月17日
鹿野良平(国立天文台)
光赤天連シンポジウム 2024
9/17/2024

1

Kataza et al. (2024, SPIE)JASMINE：Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration
超高精度位置天文観測およびトランジット法による系外惑星探索
 口径36cm程度 超高安定望遠鏡
 国産赤外線センサ (InGaAs)• 観測波長：1.0-1.6μｍ、2k×2k画素 ×4
 イプシロンＳロケットによる打ち上げ 衛星重量600kg (wet) 程度 太陽同期軌道・高度550-600km以上、3年間観測
 位置天文学(アストロメトリ)• 赤外線による超高精度位置天文観測により、距離２万６千光年に位置する星の距離と運動を測定し、天の川銀河（銀河系）の中心核構造と形成史を明らかにする。また太陽系や惑星をもつ星の移動を引き起こす原因となる銀河系構造の進化の過程を明らかにし、人類誕生にも関わる銀河系全体の形成史を探求する。
• この目的のために、大気揺らぎの影響を受けない宇宙空間からの観測で精度の高い測定を実現する。さまざ
まな種類の天体が密集している銀河系中心核領域の探査のために、塵やガスによる吸収の影響を受けにくい近赤外線での観測を行う。さらに観測装置の安定性とデータ解析の工夫により数万分の1秒角という超高精度を達成する。
 系外惑星探査• 赤外線位置天文観測で達成される高精度な測光能力を活かした時間軸天文観測により、中期M型星周りの光赤天連シンポ 2024
9/17/20242
生命居住可能領域にある地球型惑星を探査する。

Science Goals & Science Objectives

Science Goals

Science Objectives: SO
SO1：【銀河系中心核構造の探究】

我々が住む銀河系の恒星の距離と運動を測定することにより、形成と進化の探究とともに銀河系形成の鍵を握る銀河系中心核構造を探究する。

SO2：【地球型系外惑星の探査】
生命居住可能領域に将来の生命探査に有望な恒星に対し、存在する地球に似た生命居住可能領域に存在し、大気観測を行うことの系外惑星の探究できる地球型系外惑星の有無を明らかにする。

9/17/2024

光赤天連シンポ 20243

科学目標SO1：銀河系中心核構造の探究(1) 銀河系中心核ディスク(NSD)の解明
形成時期 (ミラ型変光星)
バー構造の形成時期
軌道構造 (重力場ポテンシャル)
内部バー構造の存在？
中心巨大ブラックホールの成長
NSD内での場所毎の星形成史(2) 中心核楕円構造の解明
古典的バルジ or
巨大BH落下による“熱的緩和状態” or ？
銀河系初期進化

内部領域: 銀河系中心から銀河 詳細は知られていないが、天文学・宇宙物理学にとって重要な面にそって（視線方向で）半多くの情報が隠されている
径～4kpc までの領域

その他：
・内部領域内でのバルジ・バー・(内部)円盤など、各種構造の探究
・中心核領域＆内部領域内での、宇宙解明の鍵を握る天体の探査
天文学・宇宙物理学の多岐に亘る分野に関わる
9/17/2024

ダークマター探究
X線連星系探究
磁場構造探究ブラックホール探査
星団の探査
光赤天連シンポ 2024

4

Science Investigations
アウトプット目標 と ミッション要求
SO1：
銀河系中心核構造の探究

SO2：
地球型系外惑星の探査実施する研究(アウトプット目標)：• 銀河系中心核領域の方向において、位置天文データカタログとして作成し公開すること。

観測データ性能への要求事項(ミッション要求)：• MR-I：–1.4°< 銀経 l < +0.7° & –0.6°< 銀緯 b < +0.6° の観測領域(右図の青領域)での位置天文観測。
• MR-II：観測領域内の中心核構造にある2400個以上の恒星に対し、年周視差を精度40μas(マイクロ秒角)以下＊で測定。
• MR-III：観測領域内の中心核構造にある45000個以上の恒星に対し、固有運動を精度125μas/y(マイクロ秒角/年)以下＊で測定。
実施する研究(アウトプット目標)：• 中期M型星の測光観測を行い、時系列測光データを公開すること。
観測データ性能への要求事項(ミッション要求)：• MR-IV：トランジット惑星が検出されている17個以上の中期M型星に対し、観測の総期間が14ヶ月以上で、減光が0.3%以下の現象を検出できる時系列測光観測を行う。

＊：
エクストラサクセスで25μas & 25μas/yと想定。
追加質問4
科学目標達成に必要なThresholdレベルは、60μasと設定。

“精度”は標準偏差を表す
9/17/2024

光赤天連シンポ 20245

他の位置天文観測プロジェクトとの比較
銀河系中心観測についてのレーダーチャート

データ性能に関する比較

比較項目:• 星の年周視差精度• 星の固有運動精度• 観測領域の広さ• 銀河中心の星からの光が地球に届く割合

比較対象:• Gaia• GaiaNIR• James webb space telescope (JWST)
銀河系中心大規模サーベイ計画• Nancy Grace Roman space telescope (Roman)(注) 可視光観測であるGaiaでは、銀河系中心領域の星の光は、星間の塵による減光で一億分の一程度も光が減り、観測困難。

(注)地上観測は以下の2つケースがあるが、比較対象として図示していない。
(1) 高精度だが観測範囲が非常に狭いケース(補償光学や赤外線干渉法を使うと数10μasの精度は達成できるが、視野は数秒角に限られる）。
(2) 観測範囲は非常に広いが、精度が悪いケース(JASMINEより数～数10倍悪い)。

各対象の評価
••
•
•

追加質問2

Gaiaでは、中心領域の星は観測できない(全て太陽から5kpc以内)。
GaiaNIRは、いずれの値もJASMINEを凌駕しうるが、実現するとしても2050年代の見込み。
追加質問1
JWSTに対しては、中心領域の星についてやや劣るものの基本的にJASMINEが優位。
*: 3µasを目指す提案はある。
但し、統計誤差のみの評価で、系統誤差
Romanに対しては、年周視差精度*と観測領域に関してJASMINEは優位。
にて実現性があるか不明。
固有運動精度**についてもJASMINEのエクストラサクセスレベルと同程度。
** minimal値。HSTでの実績による見込暗い星(≳15等)が対象  明るい星(ミラ型星含む)が対象のJASMINEと相補的。
みだが、HSTと同様な対応ができるか疑9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

問で、精度の達成可能性も疑問。

6

科学目標SO2：地球型系外惑星の探査
生命探査における第一ステップ
大小さまざまな恒星の生命居住可能領域に位置する大気観測が可能な惑星の発見∵系外惑星に直接探査機を送ることは困難. 天文学的に大気観測を行い、大気中の生命の痕跡(バイオシグニチャー)や環境を知る

分光観測が可能な惑星を発見が重要
1. 星から分離して惑星を観測する 「直接撮像惑星」
技術は未実証⇒NASAのフラグシップミッションとして2040年代以降の実現に向けた模索が始まった

2. 惑星が恒星の前面を通過する 「トランジット惑星」
当面のターゲット

トランジット惑星の探査と発見は、惑星大気の分光観測という生命の探査の第二ステップにつなげるために非常に重要
9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

7

JASMINEによる中期M型星のトランジット観測

追加質問3

早期M型星まわり：
トランジットシグナル*の深さは小さい(~0.1%)が、比較的明るいため可視で10cm口径のTESSでも発見が*: トランジットによる恒星の特徴的な光度曲線容易にできる。
晩期M型星まわり：星は暗いが、トランジットシグナルの深さが大きい(～1%)
ので、測光精度は低いが大口径な地上望遠鏡が有利。
一方で、中期M型星まわり：
トランジットシグナルの深さがやや小さく(～0.3%)、星もやや暗い(特に可視)。
 安定した高い測光精度の観測を行う中口径望遠鏡が必要。
 宇宙から観測を行うJASMINEが最適。近赤外線も優位。

9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

全天で250番目相当の明るさの星を想定

地球サイズの惑星を想定

8

Science Investigations
アウトプット目標 と ミッション要求
SO1：銀河系中心核構造の探究

SO2：地球型系外惑星の探査実施する研究(アウトプット目標)：• 銀河系中心核領域の方向において、位置天文データカタログとして作成し公開すること。

観測データ性能への要求事項(ミッション要求)：• MR-I：–1.4°< 銀経 l < +0.7° & –0.6°< 銀緯 b < +0.6° の観測領域(右図の青領域)での位置天文観測。
• MR-II：観測領域内の中心核構造にある2400個以上の恒星に対し、年周視差を精度40μas(マイクロ秒角)以下＊で測定。
• MR-III：観測領域内の中心核構造にある45000個以上の恒星に対し、固有運動を精度125μas/y(マイクロ秒角/年)以下＊で測定。
実施する研究(アウトプット目標)：• 中期M型星の測光観測を行い、時系列測光データを公開すること。

＊：
エクストラサクセスで25μas & 25μas/yと想定。

観測データ性能への要求事項(ミッション要求)：• MR-IV：トランジット惑星が検出されている17個以上の中期M型星に対し、観測の総期間が14ヶ月以上で、減光が0.3%以下の現象を検出できる時系列測光観測を行う。

“精度”は標準偏差を表す
9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

9 White Paper• これまでの科学的検討の内容をまとめたWhite PaperがPASJにて出版(2024/2 accept)

Kawata et al. (PASJ, 2024, Vol.76, pp.386-425)
https://doi.org/10.1093/pasj/psae020• 著者数：89名（うち、31名が海外研究者）• 位置天文関連 & 系外惑星関連の主な科学研究テーマや副次的・潜在的な科学研究テーマなどを網羅。

参考：

GaiaNIR

追加質問7• ESAの計画。採択されても実現は2050年以降。
• JASMINEは、GaiaからGaiaNIRへつなぐ重要な橋渡しと認識されており、ヨーロッパのコミュニティからもGaiaNIRへの日本の貢献を打診。
• GaiaNIR White Paper:
Hobbs, Brown, et al. (2021, Experimental Astronomy)
JASMINEから河田(UCL)と郷田(NAOJ)が執筆者に参加。
9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

10大まかなスケジュール
2024/7
FY2031ころ～2035ころ～2040ころMDR本審査会実施  MDR終了
打ち上げ(MDRでチームが提示したスケジュール)
運用期間：ノミナル4年(初期運用～1年を含む)
カタログ作成：運用終了後max.5年程度

科学成果創出について
位置天文観測： 項目や精度は限定されるがカタログの段階的リリースを想定。
銀河系中心の観測データも適宜公開することを考えている。
系外惑星探査： 有効なデータが得られたら適宜連携観測への対応を想定。
他のプロジェクトとの関係

位置天文観測• Gaia：最終データリリース(2030年ころ)からあまり遅れることないデータ提供が研究活性化に有意義。
• Roman宇宙望遠鏡(2027～)：相補的な観測戦略上、同時期の観測が可能であことが望ましい。
• GaiaNIR(2050?)：銀河系中心の位置天文観測として、科学的・技術的な継承を期待。
• PRIME：銀河系中心領域のミラ型変光星をJASMINEに先行して多数同定されると期待。

系外惑星探査• JWSTやArielなど2030年までの大型宇宙望遠鏡：追観測のため、JASMINEを2030年台早期に打上げる緊急性。
• Roman宇宙望遠鏡(2027～)：観測対象の系外惑星の大きさや中心星からの距離において相補的な関係。
9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

11

JASMINEでの位置天文観測の戦略
視野をずらして観測領域をマッピング

絶対座標は、Gaiaで観測された前景星を基準に算出

検出器の異なる場所で同じ星を測定して像の歪みを解く
多数回の繰り返し観測で精度向上

良像とマッピング中に歪みが変化しない光学系が必要
9/17/2024

光赤天連シンポ 2024

12

観測運用
• 太陽同期極軌道を周回• 基本的に太陽は側面照射• 半周=観測、半周=地球回避
基本としては、• 春秋：位置天文観測• 夏冬：系外惑星探査(参) 観測領域と視野サイズ• 視野は銀経銀緯に沿わせる• 半周中に4つの指向方向を観測(<1日で観測領域をカバー)• 画像歪み補正のため、銀緯方向・銀経方向に重ねる
9/17/2024

光赤天連シンポ 202413

観測装置：
高性能・高安定な望遠鏡の開発• 像面湾曲の無いコルシュ光学系• ゼロ熱膨張材の使用：クリアセラムの鏡と低温ゼロインバーの構造• 望遠鏡ケースによる一定温度に保温• 熱環境が安定する太陽同期極軌道光学系
口径
焦点距離
視野
波面精度

コルシュ光学系
36 cmφ4.37 m0.55°×0.55°
Strehl ratio ≥ 0.9@波長1.3 μm

望遠鏡

Isobe et al. (2024, SPIE)

Sun shieldTop door

削除予定
Telescopehood

M2

Radiator

検出器箱
DBU

M1

Telescopebox
Missionbase plate

M4

M3

M5

Solar
panel
Bus module
衛星バス
XZ• 小型標準バスを使用• 先行するプロジェクトと極力類似を想定光赤天連シンポ
Y2024

9/17/2024

14

STOP解析

Isobe et al. (2024, SPIE)• 組立調整時と軌道運用時との温度環境差、および、軌道周回中の温度環境変化による熱変形で、光学特性（特に画像歪み)に与える影響の評価が重要。
• Structure Thermal , and Optical Performance 解析(STOP解析)を実施中。
• この性能を打ち上げ前に検証する方法を、合わせて検討中。
例：

9/17/2024

20℃からの熱変形量(軌道周回中の主鏡高温時)

光赤天連シンポ 2024

熱解析
温度分布

構造解析
熱変形

評価とfeed-back

光学解析
画像歪み

15

観測装置：

検出器

Outer Hood

InGaAsハイブリッド
CMOSセンサー
× 4素子
画素
10 μmピッチ(～0.5秒角相当),1952×1952画素/素子
観測波長 1.0～1.6 μm
撮像頻度 12.5 s (TBD)• 大フォーマット化：1.6M4M画素へ• InP基板除去で放射線でのノイズ(蛍光)の低減
Optical Filter
削除予定• 可視光除去機能追加予定
for 地上用(FY2019)

for JASMINE (2024)
センサ部

電極部

Miyakawa et al. (2024, SPIE)
9/17/2024

土台部(セラミック&金属)

フラット補正のため、M5鏡近傍にシングルモードファイバー(SMF)による追加質問5較正光源を設置予定(地上試験では2本のSMFの干渉で、ピクセル位置ズレなどを測定予定)

Inner Hood

国立天文台と浜ホトが開発した地上観測用
InGaAs赤外線撮像センサを、ISAS技術のフロントローディングで衛星搭載用に改良中• より耐放射線性の高い回路構成

検出器

Telescope I/F

Detectors
Cold Plate
TEC
Inner Box

ThermalStrap
Fanout Boards

Outer Box

光赤天連シンポ 2024

Radiator I/F

２重構造での断熱構造と２段階の無振動な検出器冷却系• ラジエータで200Kまで冷却• ペルチェ素子でさらに173Kに冷却16データ解析

機上処理:
12.5 s(TBD)毎の撮像データから、対象の星(～12000個)の周囲9×11画素を切り出し、可逆圧縮。

機上処理:
12.5 s(TBD)毎の撮像データから、対象天体と参照天体(～10個)の周囲60×60画素(TBD)を切り出し、可逆圧縮。

Step1:
9×11画素の画像からeffective PSF法にて、星像位置を～4000µas程度(～0.01画素)の精度で算出。

Step2:
短時間では星が動かないと仮定して、隣り合い重なり合う視野の撮像データから画像歪みを算出し、理想的な観測装置による星像位置を算出。

地上処理:
時系列測光データカタログの作成

Step3:
長期間でも星の動きは単純(e.g. 年周視差と固有運動)だと仮定し、多数回Nの撮像デー
タにてランダム誤差を1/√Nで減少させ、要求精度(40µas or 125µas/y)で位置天文パラメータを算出。

Ohsawa et al. (2024, SPIE)
9/17/2024

光赤天連シンポ 202417

位置天文パラメータの推定

Ohsawa et al. (2024, SPIE)

三年間の観測で、年周運動と固有運動を求める

シミュレーションから40μasの年周運動125μasの固有運動が測定可能
9/17/2024

光赤天連シンポ 202418

プロジェクト実施体制
連携協力協定JAXA宇宙研

追加質問6

国立天文台
JASMINEプロジェクト室
先端技術センター(ATC)
天文データセンター(ADC)

国内大学
国内研究機関国際連携

データ解析等

データ解析・地上局

研究者コミュニティーJASMINE Consortium
9/17/2024

光赤天連シンポ 202419

天文学コミュニティとの関係
JASMINE Consortium (JC)：2019年発足、代表・河田大介(教授; MSSL, UCL)

• 目的：JASMINEの科学目標を達成し、創出データをより多くの科学者にとって有益なものとするための目標共有• メンバ： 国内60名程度(将来は海外メンバ加入も)• JC Meeting開催： 2019年から毎年実施。
(2022年は天文学会の特別セッション)• White Paper発行： Kawata et al. (2024, PASJ)

2024/8@NAOJ

JASMINE共同科学研究事業 ＠国立天文台(2024年度から)• JASMINEの位置天文観測データを用いた銀河系中心領域に関わる科学研究に向けた準備研究の推進。
• FY2024採択課題：「 JASMINE 観測領域に存在するミラ型変光星の研究」松永(東大)特任研究員の公募中：2024/10/25 15:00JST〆切

望遠鏡開発の技術継承の可能性• STOP解析の重要性の認識共有＠JAXA宇宙研• 国立天文台・先端技術センター(ATC)との連携した技術検討

9/17/2024

光赤天連シンポ 202420

まとめ： JASMINE計画の概要(再掲) 位置天文学(アストロメトリ)• 赤外線による超高精度位置天文観測により、天の川銀河（銀河系）の中心核近傍の星の距離と運動を測定し、銀河系の中心核構造と形成史を明らかにする。惑星をもつ星の移動をも引き起こす銀河系構造の進化の過程を明らかにし、人類誕生にも関わる銀河系全体の形成史を探求する。
• この目的のために、大気揺らぎの影響を受けない宇宙空間からの観測で精度の高い測定を実現する。さまざまな種類の天体が密集している銀河系中心核領域の探査のために、塵やガスによる吸収の影響を受けにくい近赤外線での観測を行う。さらに観測装置の安定性とデータ解析の工夫により数万分の1秒角という超高精度を達成する。
 系外惑星探査• 赤外線位置天文観測で達成される高精度な測光能力を活かした時間軸天文観測により、中期M型星周りの生命居住可能領域にある地球型惑星を探査する。

JASMINE衛星
9/17/2024

 口径36cm程度 超高安定望遠鏡
 国産赤外線センサ (InGaAs)• 観測波長：1.0-1.6μｍ、2k×2k画素 ×4
 イプシロンＳロケットによる打ち上げ 衛星重量600kg (wet) 程度 太陽同期軌道・高度550-600km以上、3年間観測21