The next-generation space
infrared astronomy mission

SPICA GOPIRA Symp
August 2013
T. Nakagawa, H. Matsuhara, Y. Kawakatsu (ISAS/JAXA)
for SPICA Team
Institute of Space & Astronautical Science
Japan Aerospace Exploration Agency

1

SPICA Mission Overview
 Telescope: 3.2m (EPD 3.0m), 6 K

Superior Sensitivity
 Good spatiaｌ resolution Core wavelength: 5-210 μm

MIR Instrument
 Far-Infrared Instrument (SAFARI)
 Orbit: Sun-Earth L2 Halo

 Mission Life
 3 years (nominal)
 5 years (goal) Weight: 3.7 t
 Launch: 2022
 International mission
 Japan, Europe, Korea, Taiwan, (USA)2

SPICAの位置づけ
宇宙科学分野では、これまで国際協力の下で様々な衛星・探査機の開発が進められてきた。赤外線天文学分野においても、これまで各国が特色あるミッションを交代で主導し、発展させてきた。そして、今後さらなる発展を遂げるため、各国が一つの計画に集中し、分担して進めなければならない時代に突入しつつある。そのような認識の下、世界の赤外線天文学コミュニティはSPICA を次世代赤外線天文衛星ミッシ
ョンとして位置付け、SPICA に結集し、SPICA を分担して進めようとしている。
 SPICA は我々人類が抱き続けてきた根源的な問いに挑み、その問いへの答えを導き出すものであり、そこから新たな学問分野が創出され、人類の宇宙に対する見方や考え方をも変える可能性を秘めている。つまり、SPICA の成果は人類共通の財産であり、SPICA は人類を牽引する学術研究のブレークスルーを起こすものである。また、技術開発の観点では、大型望遠鏡、高精度姿勢制御技術、冷却技術などの宇宙開発の鍵となる重要技術をSPICA を通じて日本が獲得することは、将来の天文衛星や地球観測衛星への道を拓くことに繋がる。
 以上のように、SPICA は人類を牽引する学術研究・科学技術のブレークスルーを起こすことを世界中が熱望するプロジェクトであり、宇宙先進国たる日本が国家の品格を保ち、主導する、我が国のフラッグシップミッションと位置付けられる。
3

Outline of my Talk
 Scientific Goals
 Mission Overview

 Programmatic Status4科学的意義 「ビッグバンから生命の誕生まで」の宇宙史における天体の進化過程を明らかにする。
 SPICAの特徴：宇宙塵の帳をあけ、天体の真の姿に迫る
 宇宙塵に阻まれて他波長では見ることのできない宇宙での天体の歴史の中で最も重要な「進化過程」を、赤外線高感度観測により解明する。
 具体的科学テーマ
 銀河誕生のドラマ

宇宙初期には星形成の勃興期があったのか？
 最初に輝いた原始の銀河は今いずこへ？
 惑星系のレシピ


太陽系誕生は宇宙進化の必然か？標準モデルは正しいのか？

 宇宙の物質輪廻の解明


宇宙の物質はいかにして現在の元素組成となったか？

Scientific Goals 1
 How did the Universe originate and what

is it made of ?

Big Bang

1st generation ofstars→ Hidden Universe to be revealed by
FIR Observations

7

Extinction is a problem
Spectroscopy in MIR and FIR required?

ULIRG
8

250 µm

GOODS-N: 250/350/500 mm

350 µmWhat are they ?
Spectroscopy

500 µm10 arcmin
9

AGN vs Starburst: Diagnostic Lines
SPICA
SAFARISAFARI

SPICA

accretionfusionSAFARI
SPICA• Key diagnostic lines in mid- to far-infrared
out to z > 3 even in obscured system
10Characterizing
Hidden Nature of Galaxies
ＡＫＡＲＩＳＰＩＴＺＥＲ
ＨｅｒｓｃｈｅｌELTTMTＪＷＳＴSPICA ALMA

Revealing true natureof obscured galaxies、
Srarburst and /or Super
Massive Black holes

11SPICAobservations
are essential

Scientific Goals 2
 What are the conditions for stellar andplanetary formation ?

→ Mid- and Far-IR observations
for gas and dust phases 12

Gaseous Planets vs Rocky Planets

1.4
1.2

Crystalline

10.8

 H2O ice is expected to play ak0.6

Amorphous

0.4
0.2
0050

Malfait et al. 1999

100150Wavelength

Su et al. 2005

200250crucial role in planetary formation
 What made the difference
betwenn Giant planets vsterrestrial planets

Resolution to image “snowlines” in13
local systems

Characterization of Exoplanets
Pupil mask
(design)

PSF (simulation)
Non-coronagrahic
direction
Coronagraphic
direction

Discovery
angle

SPICA
Dark region 1 Dark region 2
Coronagraph Characterization of

atmosphere of exoplanets
 Challenge to detect O3

features at 9.6μm: Biomarker !
15

16

SPICAの特徴：他の大型計画との関係：
天体形成のジグソーパズルの完成
星間雲:星惑星系の材料

成熟した星惑星系？

もしSPICAがないとALMA（電波）形成中の星惑星系（過程の解明）

SPICAの役割•

すばる、TMT（可視光線、近赤外線）

SPICA
中間・遠赤外線における卓越した感度により、星間雲から天体が誕生する際に本質的に重要な「過程」を解明する。

計画間のシナジーでより高い価値の創出へ– ALMAは天体形成の「材料」を、すばる、TMTはその「結果」とを解明する。しかしながら、これらだけでは、その間をつなぐ一番重要な「過程」が不明のままである– SPICAは、「材料」と「結果」を結ぶ「過程」を解明し、天体形成解明のジグソーパズル
17を完成させる。これにより、ALMA, すばる、TMTの価値も相乗効果で高まる。

AKARI Point Source Catalogue
AKARI is a JAXA mission with
ESA and Int. Consortium

With an AKARI map in hand,Let’s start “treasure hunting”
blue = 9 µm, green = 18 µm, red = 90 µm•AKARI was launched in 2006
•Ideal inputs for SPICA with 1.3 million sources18

Mission Overview

19Requirements:
high spatial resolution

 High spatial resolution
 → 3m-class telescope required21

Requirements:
Cooled Telescope T<10 K is required to improve sensitivity
 Background Radiation can be reduced by a factor

of one million !

22

Cryogen-free mission

Lighter and Larger
23

Heritage of Mechanical Cryocoolers

 AKARI 2-stage Stirling

200mW @ 20 K
 Long-life test >5yrs
 2006



SMILESSUZAKUJT 30mW@ 4.5
K2009

Cryocooler technology isstrategic technology forspace science in Japan

ADR, 60mk reached2005

Future Missions: Kaguya, Planet-C,ASTRO-G, ASTRO-H, SPICA

Cryocoolers required for
24
SPICA will be flight-proven

SPICA Focal Plane Instruments
SAFARI






MCS






Mid-infrared camera & spectrometer
P.I. JAXA, Universities, and ASIAA(Taiwan)

SCI






Far-infrared imaging spectrometer
P.I. SRON (Netherlands) with SAFARI
Consortium

SPICA coronagraphic instrument
P.I. JAXA with Nagoya Univ.

FPC

Near-infrared camera and spectrometer
P.I. KASI (Korea)
26

Focal Plane Instruments: baseline
Wavelength coverage vs Resolving PowerHerschell/dl (dv)MCS/HRS

10000(30 km s-1)

SPICA

JWST
1000(300 km s-1)

MCS/MRS100(3000 km s-1)

SCI
FPC-S

2 mm

SAFARIλMCS/WFC

20 mm

200 mmWavelength

MCS, SAFARI: Mandatory Instrument

28

MCS-WFC much improved
imaging capability in MIRAKARI Deep survey@24 micron

SPICA MCS-WFC(simulation)

30Courtesy to Ko Arimatsu @U. Tokyo

SPICA Sensitivity

Continuum

Wavelength (mm)DF (W m-2) 5-s 1 hr

DS (mJy) 5-s 1 hr

Lines

Whole band
simultaneously

Wavelength (mm)Confusion is a problem
31

The first cosmological
spectroscopic survey~1 degree

900 hours
Of Obs.
SPICA FIR

Gain of1000
relative to
Herschel

Herschel PACS

Image Springel et al. 2006

32

SPICAの特徴：
赤外線天文衛星発展の流れとSPICAの位置付け
高解像度（～大口径）（遠赤外線の観測能力を持つものについて）

SPICA●Herschel（2023年／日欧韓台）（2009年／欧米）

口径3.2m冷却望遠鏡搭載＝ 高解像度かつ高感度へ！

●SPITZER（2003年／米）

●IRAS

●あかり
●ISO （2006年／日欧韓）（1995年／欧日米）（1983年／米英蘭）●COBE ●IRTS（1989年／米）（1995年／日米）

高感度（～冷却）33

SPICAの特徴：
中間遠赤外線領域での卓越した性能
ALMA



サブミリ波における卓越した感度
サブミリ波における高解像度⇒天体の材料の研究

SPICA

遠赤外線領域における卓越した感度







中間赤外線領域における卓越した感度
広い領域を観測できる能力⇒天体の進化過程の解明に最適

近赤外線感度54JWST

次世代観測装置では遠赤外線領域をカバーする唯一のミッション
従来の遠赤外線ミッションより、大幅な性能向上

次世代の天文観測機器の特徴の比較。相互に連携することにより、天体の進化を、材料から過程そして結果に至るまで、総合的にとらえることができる。これにより、相乗効果により、お互いの価値をより高めることができる。

近赤外線～中間赤外線における卓越した感度

高解像度



中間赤外線感度

2TMT


31

可視～中間赤外線における高解像度観測
観測装置のアップグレードが可能
JWST⇒成熟した天体の研究
SPICA

0

遠赤外線感度

広領域観測

TMT
ALMA
サブミリ波感度34

ＳＰＩＣＡ： 技術的意義
 日本の宇宙開発における戦略的技術の開発
 以下のような「戦略的技術」を開発することにより、日本の宇宙開発全体を技術的に牽引することが期待される。
 「新冷却システム」
SPICAで開発された冷却システムを赤外線観測による地球観測に適用すると、従来の常温センサーよりも100倍以上の感度向上が期待される。
 SPICA冷却システムの技術は、超伝導を利用する医療機器(PET)や情報通信（IT）技術および高速鉄道技術につながるなど、大きな発展性を持つ。
 「高精度指向制御技術」「大口径望遠鏡技術」


SPICAで開発された高精度指向制御は、大口径望遠鏡技術とあいまって、次世代地球観測システムに適用することにより、従来よりも約10倍の解像力向上をもたらすと期待される。

 「ラグランジュ点の利用活用」
日本が、深宇宙探査に乗り出すための将来の「深宇宙港構想」の実現にむけて、先駆的な一歩となる。

Programmatic Aspects

36

International Collaboration
BM

SPICA

PLM

CRYO
SIA

IOB
STA

MCS

FPIA

SCISAFARISAFARICons.
STA

PLM

FPC(ペイロードモジュール)(Optional)

FPITOBIOBFPIMCSJAPANBMBM(バスモジュール)

37

SPICA Project Status
JAPAN (JAXA)



ESA








Official Study Team formed with KASI as PI

Taiwan (PI: ASIAA)SRON got funded ! (90% of that required)
Dedicated team has been working actively

Korea Status (PI KASI)Assessment Study (Cosmic Vision) completed
Supporting I/F definition

Final Approval
Required !

SAFARI Consortium (PI: SRON)MDR in 2007 & Official SPICA Preproject team (Phase A & B1) established in 2008
System Requirement Review (SRR, 2010)
Planning SDR and Phase-up Review (final approval) in FY2013

Concrete collaboration started.

Strong Supportby Community
is essential

US Status (PI: TBD)Assessment Study by 3 teams funded by NASA in 2010
Strong recommendation in the US Decadal Survey in 201038

Schedule

Phase-up
Review (FY13)

Launch(‘FY22)

39

Time Allocation Schemes
 Engineering Time: 10 %
 Director’s time: 5 % Including TOO observations
 Guaranteed time for SPICA team: 25%
 To be allocated as a function of “contribution”
SAFARI requests 2000 hours over three years (~10% in 3 years)

Including time for SWG and mission scientists
 This could consist of Legacy programs and normal programs Open Time for Member Countries: 40%
 This consists of Legacy programs and normal programs
 Only one TAC, but each member country should has its own
allocated time.
 Open Time for General Community: 20%

Unique opportunity for world-wide community
40社会的意義
 将来の日本を担う人材の育成

科学技術は我が国の可能性を拡げる国力の源泉であり、世界をリードする科学成果の創出と先端科学技術の獲得により、科学技術立国としての地位を維持する。
先端的な宇宙開発プロジェクトが産業基盤の維持、産業競争力の強化に繋がる。
挑戦的なミッションに取り組むことで国民の知的好奇心を鼓舞するとともに、国民に対して成果の普及、理解の増進をはかり、先端科学・技術基盤の強化・人材育成や、未来を担う青少年たちへの教育活動に貢献する。
東日本大震災後の科学技術の信頼回復への象徴的な存在として貢献する。

 国際的なリーダシップの確立


世界中の研究者コミュニティからの要請に応え、日本が大型国際ミッション主導の実績を上げることで、日本の国際プレゼンスを高め、大きなソフトパワーを示す。特に、宇宙科学という学術成果を第一目的とする事業において、国際社会との調和を保ちながらソフトパワーを獲得することは重要である。
「あかり」の赤外線全天サーベイデータは、世界中の天文学者に活用されるものとなった。これをさらに発展させるSPICA の成果は、世界中の天文学者に多大なるインパクトを与え、科学史に残る極めて価値の高い人類共通の財産となると期待される。

41

常田所長からは、SPICA計画に関して「最優先に対応 すべき事項の一つ」として認識しているとの返事を頂き ました

コミュニティの支援体制の重要性
SPICA

SPICA タスクフォース

光赤外線天文連絡会

SPICAプリプロジェクトチーム（～１００名）SPICA サイエンスチーム（～1５0名）

常田所長からは、ＳＰＩＣＡ計画に関して、「最優先に対応コミュニティすべき事柄のひとつ」として認識しているとの返事
42

International SPICA Team 17 countries, regions, and one International org.

43

Space Odyssey
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