SPICAの概要と期待された成果

山村 一誠(ISAS/JAXA)
金田 英宏(名古屋大学&ISAS/JAXA)SPICAチーム

2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙1

SPICA
計画概要

望遠鏡：
有効口径 2.5 m、 8 K 以下に冷却
波長範囲： 10 - 350 μm
軌道：
太陽-地球系 L2 周り軌道
打上：
JAXA H3 ロケット
打上年：2020年代後期（ESAとの協議事項）
寿命:5年(無冷媒冷却)

日欧協力を軸とする
国際共同スペース天文台ミッション
日本: JAXA戦略的中型ミッション(300億円規模)
欧州: ESA Cosmic Vision Mクラス(550M€以下)として概念検討実施

SPICAは、重元素と星間塵の生成に伴い、宇宙がより多様で豊かな世界になり、生命居住可能な惑星世界が生まれた過程を解明することを目指す。そのために、大型の宇宙冷却望遠鏡を搭載し、超高感度赤外線観測を実施する。
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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙2

SPICAの科学目標l 宇宙進化史の解明
l 宇宙がいかにして現在のような元素と物質に富む世界に至ったのか？
l 銀河と巨大ブラックホールの共進化の過程。
l 星・惑星系形成の解明
l 星形成の環境と過程の理解。
l 生命を育む地球のような惑星がどのように形成されたのか？

2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

3

SPICAの科学目標（宇宙進化史の解明）
l The rise of metals and dustl

宇宙の最初期の銀河で炭素や酸素など、やがては生命現象にも重要となる重元素はどのように形成されたのか？ダストや有機物質（芳香族炭化水素）はいつどのように形成されたのか？

l

中間〜遠赤外線分光観測により、130億年前の激しい星形成銀河やクェーサーからの有機物質やケイ酸塩ダストの初検出を目指す。

l Star formation and Black Hole accretionl

銀河の形成期に巨大ブラックホールは同時期に形成されたのか？

l

ブラックホールの活動が星形成を止めたのか？

lSPICA では、多量のダストの吸収の影響がない赤外線波長帯で重元素を含むガスの電離状態などから、１２０億年前の宇宙の激しい星形成銀河まで、巨大ブラックホールの存在とその活動性を明らかにする。

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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙4

SPICAの科学目標（惑星系形成）
l Gas content during the planet forming phasel

原始惑星系円盤の100 K程度のガスの物理・化学状態と円盤の進化に伴う変化を、多数の天体の分光観測から明らかにする。

l Setting the clock for planet formationl

円盤中のガスの散逸量、ガスの速度を多数の天体において測定する。

l Water in planet formationl

円盤中の水の状態(気体、固体、結晶)の分布から、スノーラインの位置を測定する。
さらに、星・円盤の活動によって水の状態がどのように影響を受けているかを明らかにする。

l From pristine dust to planets
l2022/3/14

円盤中の固体物質が、微粒子から惑星に成長していく過程を測定する。また、生命につながる炭素質の物質の検出を目指す。

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

5

SPICAの観測性能(観測波長域)l

赤外線波長域の主要な Spectral Features と SPICA の観測波長域。

Upper: I.P. for key IR fine-structure lines (adapted from Spinoglio & Malkan, 1992).
Lower: excitation temperature of molecular transition, spectral features from PAHs, H2O ice, silicates.
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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙6

焦点面観測機器

SMI(SPICA Mid-Infrared Instrument)

LR

日本

・LR R=50-150, Si:Sb 17-36μm
・Camera 10’x12’, Si:Sb @ 34μm
・MR R=1300-2300, Si:Sb 18-36μm
・HR R=29000 Si:As 10-18μm(w/ Immersion Grating)

Si:Sb
Si:SbKRS-5  ""MR&#%
Si:Sb"

CAM  

Si:As "$!

HR50 cmSAFARI (SpicA FAR-infrared Instrument)
TES Bolometer Arrays operated at 50mK・LR R=300, 34-230μm, grating
・HR R=1500-11000 34-230μm Grating+FTS
B-BOP

欧州
SAFARI/SPEC

B-BOP(B-fields with Bolometers and Polarizers)

infrared polarimetry imager at 70, 200, 350μm
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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙Specifications as of October 2019

7SPICA Observing Modes (SMI & B-BOP)l

HR+MR slit on the sky

SMIl60”

HR+MR: HR (High-resolution spectroscopy) andMR (Medium-resolution spectroscopy) channels
observe the same position of the sky simultaneously.

3.7”

MR slitHR slit
1.7”
4”

LR+CAM FoVll

LR+CAM: LR (Low-resolution spectroscopy) andCAM (camera) channels are operated
simultaneously (CAM works as slit-viewer of LR).
12’Spectral mapping is realized by moving the FoV
along the direction indicated in the figure.
CAM(imaging)

Mapping DirectionLR(slit 3.7”x4)
10’

B-BOPlThree channels (70, 200, 350 µm) are operated simultaneously.

lApproximately the same field-of-view (FoV) is covered by the three channels. Pixel
size of each channel is defined to make Nyquist sampling of the PSF at thewavelengths.
70 µm
200 µm

B-BOP FoV
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350 µm
南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

8

SPICAの観測性能(感度)
冷却望遠鏡により、従来ミッションに対し大きな感度向上

Spectroscopy

Imaging

Photometry

Continuous l coverage

2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

Performance as of October 201992030年代の観測天文学
ATHENA
TMT
1010
XRISM

108

ALMA

Roman
JWST
JWST
EuclidSPICA

星間中性ガスが吸収
星間電離ガス
が吸収

暖かい
ダスト

熱いダスト
冷たいダスト106

冷たいダストとガス

高温恒星
ガス

104

宇宙固体微粒子

||
炭素、酸素
ケイ素、鉄

恒星

星や惑星の誕生・進化の情報が得られるのは中間・遠赤外線2022/3/14 SPICA Yellow Book (2009) 改変

「ダスト」
||

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

暖かい
ダストとガス10国際協力 役割分担
プロジェクト全体のとりまとめ 極低温冷却・打上げ
欧州宇宙機関(ESA)
JAXA

遠赤外線分光観測装置
SAFARI

ペイロード
モジュール

JAXA

遠赤外線偏光観測装置
B-BOP

冷凍機

ESA

焦点面姿勢センサ(FGS)
打上げ
ロケット

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名古屋大学

中間赤外線観測装置
SMI

サービス
モジュール

JAXA

スペイン
ドイツ
イギリス
等欧州１０カ国
カナダ、台湾、日本

焦点面観測装置

ESA

JAXA(フランス)

/ ESA

JAXA

望遠鏡

SRON (オランダ)
CEA-Saclay

科学運用

科学コミュニティーなど

JAXA ESA

日、欧、米、加、台、韓・・・

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

ESA

JAXA
大阪大学
東京大学
東北大学
埼玉大学
広島大学
愛媛大学
徳島大学
京都大学
ASIAA
(台湾)
他

11SPICA検討の成果(科学面)ll

SPICA Science Study Team (ESA)l

欧州6名、日本5名からなる。

lより広い研究者による Science WG を組織して、科学検討。

l

MSRに向け、SPICAの科学的価値を記述したYellow Bookを作成(未完)。

lScience WGの検討内容は、White Papers として出版(2022年3月現在13編)

SPICA研究推進委員会 (JAXA)l

光赤外線、電波、太陽系、工学等幅広い分野の12名からなる。

l

約70名の研究者からなる「サイエンス検討会」を組織、独自の検討を行った。

l「サイエンス検討会最終報告書」はSPICA HPより公開
https://www.ir.isas.jaxa.jp/SPICA/SPICA_HP/suishin/docs/SPICA_final_report_20201201.pdfll

天文月報「SPICA特集」2020年11月、12月号

SPICAを通じて築かれた研究者のネットワークは、将来につながる貴重な財産となる。

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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙12

SPICA White Papersl

SPICAの科学検討の成果を、White Paperとして Publications of the Astronomical Society of Australia(PASA) から組織的に出版している。 2022年3月現在で13編発行。右側の数字は被引用数。

l

SPICA検討成果へのリファレンスとなるとともに、赤外線将来ミッション検討にも活用されることを期待。

ADS検索: abs:(SPICA) bibstem:(PASA)SPICA - a Large Cryogenic Infrared Space Telescope Unveiling the Obscured Universe, Roelfsema, P. R. et al., PASA, 35, e048 (2018)

69

Galaxy Evolution Studies with the SPace IR Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA): The Power of IR Spectroscopy,Spinoglio, L. et al., PASA, 34, e057 (2017)31

Feedback and Feeding in the Context of Galaxy Evolution with SPICA: Direct Characterisation of Molecular Outflows and Inflows,González-Alfonso, E. et al., PASA, 34, e054 (2017)

17

SPICA and the Chemical Evolution of Galaxies: The Rise of Metals and Dust, Fernández-Ontiveros, J. A. et al., PASA, 34, e053 (2017)17

Tracing the Evolution of Dust Obscured Star Formation and Accretion Back to the Reionisation Epoch with SPICA, Gruppioni, C. et al.,PASA, 34, e055 (2017)20

Unbiased Large Spectroscopic Surveys of Galaxies Selected by SPICA Using Dust Bands, Kaneda, H. et al., PASA, 34, e059 (2017)

16

Probing the Baryon Cycle of Galaxies with SPICA Mid- and Far-Infrared Observations, van der Tak, F. F. S. et al., PASA, 35, e002 (2018)

14

Probing the high-redshift universe with SPICA: Toward the epoch of reionisation and beyond, Egami, E., et al., PASA, 35, e048 (2018)

13

Probing the cold magnetised Universe with SPICA-POL (B-BOP) , Ph. André et al., PASA, 36, e029 (2019)15

Mid-IR cosmological spectrophotometric surveys from space: Measuring AGN and star formation at the Cosmic Noon with a SPICA-likemission, Spinoglio, L. et al., PASA, 38, e021 (2021)

4

The role of SPICA-like missions and the Origins Space Telescope in the quest for heavily obscured AGN and synergies with Athena,Barchiesi, L., et al., PASA, 38, e033 (2021)

1

The formation of planetary systems with SPICA, Kamp, I., et al., PASA, 38, e055 (2021)
Simulating infrared spectro-photometric surveys with a SPRITZ, Bisigello, L., et al., PASA, 38, e064 (2021)
2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

13SPICAのサイエンス(1): 宇宙進化史の解明
SPICAサイエンス検討会最終報告書よりl

塵に埋もれた活動的な超巨大ブラックホール探査
ll

原始銀河団探査ll

特に宇宙誕生から数億年の宇宙初期における星間物質の性質を、SMIおよびSAFARIによる撮像・分光観測により明らかにする。

近傍銀河円盤内における星間ガスの状態
ll

SMI を用いて、特に既知の原始銀河団を狙ったディープサーベイを行ない、初期宇宙における銀河、ブラックホールと「環境」の共進化について、本質的な理解を得る。

星間物質の進化
ll

銀河形成がピークを示す z=0.5–2 の合体銀河を系統的に観測し、合体銀河中の塵の奥深くに埋もれた活動的な超巨大ブラックホール (AGN) の役割を観測的に正しく理解する。

高感度、高分解能分光観測により、星間ガスの物理・化学状態を決定し、それが星形成等の銀河活動とどのように関連しているかを理解する。高光度赤外線銀河での、星形成プロセスと、周辺環境への影響を通じて、銀河進化過程を解明する。

低金属量銀河l2022/3/14

近傍の低金属量 Blue Compact Dwarf 銀河内の超星団 (super star cluster) の星間物質の中に、大質量星を起源とするダストの痕跡を探し、初期宇宙の星間物質の化学進化過程の描像を得る

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

14

SPICAのサイエンス(2):星形成・惑星形成・系外惑星
SPICAサイエンス検討会最終報告書より
l

分子雲の性質と星形成
ll

原始星/惑星系円盤とそのエンベロープ
llll

B-BOP を用いた磁場構造観測により、さまざまな空間スケールと密度スケールにおけるガス・ダイナミクスにおける磁場の寄与を具体的に明らかにする。分子雲の中で重力的に不安定なフィラメント状の高密度領域が形成される過程を明らかにする。さらに分子コア・進化までの理解を進める。

SAFARI を用いた分光観測により、原始星形成に伴う化学進化の多様性について、分子雲から円盤スケールまで繋ぐ理解の端緒を与える。

原始惑星系円盤l

中間赤外線水輝線高分散分光観測によって H2O スノーラインの位置を同定する

l

円盤進化初期から散逸期までの円盤質量分布・及びその散逸過程を明らかにする。

l

惑星形成領域における複雑な有機分子の生成過程や生命起源分子種との関連を明らかにする。

l

水氷の観測から、惑星形成における様々な水の役割や、その熱史を観測的に検証する。

太陽系天体
l

惑星・衛星大気の分光観測から、生命の根幹となる有機分子の合成の場、および生命存在環境を守る場としての惑星大気を理解する。

l

彗星核に含まれる氷および固体微粒子の観測から、太陽系形成過程に制限を加える。

系外惑星大気l2022/3/14

系外惑星大気の高分散分光観測により、大気の成分を同定し、惑星の形成場所を制約したり、現在大気中で起こっている光化学反応や大気の混合を調べたりすることができる。
南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

15

SPICA検討中断に至る経緯
2016/10ESA Cosmic Vision M-class 5号機に提案。

2018/05

ESA CV M5候補として、提案25件から3件の一つに選定。日欧で本格的な検討開始。

2020/01

重量超過問題に対応するため望遠鏡を衛星本体に対して横置きから縦置きに変更。

2020/03-07ESA M5 Mission Consolidation Review (MCR) 実施。技術的成立性と課題を確認。ESA Phase-A2 の活動開始。

2020/07/21

ESA側コストがM5の上限(550M€)を有意に超過していることが発覚。

2020/08

望遠鏡口径を1.8mに縮小して検討を継続することを決断。

2020/09/29

ISASミッション要求変更確認会を実施。口径を変更しても、ミッションの科学的価値は充分に高いことを確認。一方、所掌変更に伴う技術的・コスト的成立性に懸念が示され、ESAとの所掌に関する議論を所が主導して行うこととなった。

2020/10/02

ESA科学局長-ISAS所長会合で、ISAS提案の所掌案をESAが拒絶。

2020/10/07

M5検討取り下げ決定。

2021/06

ESA技術検討の最終報告。SPICAは衛星システムとして成立していたことを確認。

2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

16

SPICA検討の成果(技術面)l SPICAの検討により、将来につながる技術ヘリテージとなる成果が得られている。
l

放射冷却と冷凍機を用いた衛星搭載無寒剤極低温冷却系の、熱構造設計技術の習得

l

極低温要素技術開発
l トラス分離機構の技術開発
l 振動アイソレータの技術開発

l

宇宙用冷凍機の技術開発

将来の冷却ミッションへの適用

l 直線型第3熱交換器を使用したJT冷凍機
l 冷凍機の低振動化、長寿命可の開発

l

中間赤外線観測装置の技術開発
l 高感度赤外線検出器システム
l 自由曲面を用いた光学設計

将来の衛星搭載赤外線観測機器への適用

l 高分散分光素子開発
2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙17

まとめl

SPICAは、宇宙進化史、星・惑星形成の解明を目指す赤外線天体物理学ミッションである。

l

中間・遠赤外線領域において、超高感度の分光・偏光観測を実現する。

l

SPICAに期待するサイエンスの検討は、国際コミュニティはもちろんのこと、我が国でも70名以上が参加した「科学検討会」で進められ、学術論文や報告書としてまとめられている。

l

日欧共同でPhase A概念検討・設計、および科学検討を進めたが、ESA側コスト超過により、2020年10月にESA Cosmic Vision M5での検討を中止した。

lSPICAの計画中断により、中間・遠赤外線波長域の天文学は停滞することとなった。SPICAの目指したサイエンスを実現すべく、活動が進められている（金田氏講演）。

2022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

18

参考情報

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

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A.10 SMI Fact sheet

SPICA/SMI
Fact
Sheet
SPICA Mid-infrared Instrument (SMI) covers

Velocity-resolved
with /HR

the wavelength range of 12−36 μm with four channels:
spectroscopy (SMI/LR, /MR, /HR) and imaging (/CAM). 12
SMI /LR/CAM
Slit viewerfor SMI /LR/MR

27
17 – 3650 – 150 (b)(20 – 110)34
3452718 – 36
1300 – 2300 (b)(1100-1400)

1512 – 18 (a)33000 (c)Field of view600” x 3.7”
4 slits
2.7”
0.7” x 0.7”
Si:Sb600” x 720”60” x 3.7”
1 slit
2.7”
0.7”
Si:Sb

4” x 1.7”
1 slit2”
0.7”
Si:As25 (e)5~28131400 (e)1.0~4500

280 (e)2.8~1.8

Continuum - MJy/srLine - 10-10 W/m2/sr

0.08

0.05

Saturation limit – Jy

~20

Point source sensitivity (5 σ/1 hr)(d)Continuum - µJy
Line - 10-20 W/m2 (f)Survey speed - arcmin2/hr (g)3.5”0.7” x 0.7”
Si:Sb

Diffuse source sensitivity (5σ/1 hr)(d)(h)~1352025 30 35
λ (µm)

1.00.8~1000~20000

High-speed spectral mapping
and wide-area survey
with SMI/LR and /CAM

Spectral mappingwith /MR
103

Sensitivity for a point source (5σ, 1 hr)

10-17/HR 10-19-2010SMI/LR (e)102

10-18/CAM
1010-19/MR(j)High backgroundLow backgroundLine sensitivity for /MR, /HR (W/m2)

Band centre - µm
Wavelength - µm
Spectral resolution R(diffuse source)Band centre FWHMPixel scale
Detector 1K x 1K

R=30000
18 20 25 30
16λ (μm)λ (µm)/HR

Continuum sensitivity for SMI/LR (µJy)

Parameter

14

R=100 at z=3

R=2000Spec at z=3
R=1000-20(a) continuous coverage up to 18.1 μm + partial coverage for H2O 18.66 µm.
135 1030
2520(b) λ/δλ = 150 (SMI/LR) and 1300 (/MR) at λ = 36 μm.
Wavelength (µm)(c) designed for λ20 µm diffraction limited PSF.
(g)surveyspeedforthe5σdetection
ofapoint
source with the continuum flux of(d) sensitivity estimated with Fowler-16 sampling for SMI/LR and /CAM (0.5 Hz),
100μJyforSMI/LRatλ=30μm(/CAMat34μm) and the line flux of 3x10-19 W/m2
and with ramp curve sampling for /MR (0.5 Hz) and /HR (1 Hz sampling).
for /MR at λ = 28 μm, both in the low background case with overheads of readout(e) continuum sensitivity rescaled with R = 50, R = 1300, and R = 25000 fortime included (32 sec/frame for SMI/LR and /CAM due to Fowler-16 sampling).
SMI/LR, /MR and /HR, respectively.
(h) sensitivity for a diffuse source in a 4” x 4” (SMI/LR , /MR) or 2” x 2” area (/HR).
(f) sensitivity for an unresolved line.
(i) background levels are assumed to be 80 MJy/sr (High) and 15 MJy/sr (Low) at 25 μm.

SMI Factsheet v12.1 - 01 July 20192022/3/14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙20

A.8 SAFARI Fact sheet
SPICA/SAFARI Fact Sheet
SPICA Mission

SAFARI Overview• Four band grating spectrometer• Continuous spectroscopic capability from 34-230 μm
Parameter

WavebandSWMWLWLLW

4572115185

Wavelength range / μm

34-5654-8987-143

140-230

Band centre beam FWHM

4.5”

7.2”

12”

19”

Band centre / μm

Point source spectroscopy (5σ-1hr)
7.2

6.6

6.6

8.2

Limiting flux density / mJy

0.31

0.45

0.72

1.44

Limiting flux / x10-20 Wm-2

13131315

Limiting flux density / mJy

18171719HRLR

Limiting flux / x10-20 Wm-2

HRLR

Mapping spectroscopy* (5σ-1hr)••••

ESA/JAXA collaboration
Telescope effective area 4.6 m2
Primary mirror temperature 8K
Goal mission lifetime – 5 years

System performance v.s. target
flux density, relative to thebackground limited case
• The sensitivity decrease is dueto the increased photon noisefrom the target source• Data given up to theinstrument saturation limits foreach band (31, 51 and 87 Jyfor the SW, MW and LW bands
respectively.

LR modeHR modeR

Limiting flux / x10-20 Wm-2

84

4930

2310000

Limiting flux density / mJy

3.6

3.3

3.3

4.1

8000

Limiting flux / x10-20 Wm-2

189

113

73516000

Limiting flux density / mJy

253

151

9767

Photometric mapping* (5σ-1hr)
Limiting flux density / µJy

209

192

194239Confusion limit (5σ)

15 µJy200 µJy

2 mJy

10 mJySensitivities based on detector NEP 2×10-19 W/√Hz* Mapping performance is for a reference area of 1 arcmin2

SAFARI/HR resolution asfunction of wavelength

4000
2000
030

80

130

180230λ280 (µm)

SAFARI GS Factsheet V1.0 – 30th September 2016

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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙21

A.9 B-BOP Factsheet

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南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

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