Mission Concept Studies for the 2020 Decadal Survey

Origins Space Telescopeの科学推進とハードウェア貢献
Itsuki Sakon (U Tokyo)
Origins/MISC TeamOrigins Science and Technology Definition Team
http://origins.ipac.caltech.edu

Origins STDT

Origins/MISC team参考文献

Origins Space Telescope Mission Concept Study Reporthttps://asd.gsfc.nasa.gov/firs/docs/OriginsVolume1MissionConceptStudyReport25Aug2020.pdf

Mid-Infrared Spectrometer and Camera (MISC) for Origins Space Telescope
Sakon, I., Roellig, T. L., Ennico-Smith, K., et al. “Mid-infrared spectrometer and camera for Origins SpaceTelescope”,
JATIS,7,011013(2021)https://doi.org/10.1117/1.JATIS.7.1.011013

★ x1000 more sensitive than anything before★ 5.9m aperture non-deployed cold aperture (4.5K)★ Low-risk development, testing, and deployment★ 3 orders of magnitude in wavelength coverage:
2.8-588 µm

Origins: Spitzer-like minimal
deployable design
wavelength coverage: 2.8-588 µm
Telescope:diameter: 5.9 m
2area: 25 m (=JWST area)
diffraction-limit: 30 µm
temperature: 4.5 KCooling: long life cryro-coolers

Agile Observatory for surveys: 60” per secondLaunch Vehicle:Large, SLS Block 1, Space-X BFRMission: 10 year propellant, serviceable
Orbit: Sun-Earth L2

Three Baseline Instruments
OSS: Origins Survey Spectrometer-25-588 µm R~300, survey mapping-25-588 µm R~43,000, spectral surveys-100-200 µm R~325,000, kinematics

FIP: Far-infrared Imager Polarimeter- 50 or 250 µm, Large area survey mapping- 50 or 250 µm, polarimetry

MISC-T: Mid-Infrared Spectrometer Camera Transit(Sakon et al. 2021, JATIS, 7, 011013)-Ultra-Stable Transit Spectroscopy
achieved by Densified Pupil Spectroscopy (Matsuo et al. 2016, 2018)-2.8-20 µm R~50-295

Origins Instrument Performance

How does the universe work?

How did we get here?

Are we alone?

Discovery of new phenomena

学術的価値
Originsは4.5Kに冷却された主鏡直径5.9mでJWSTとほぼ同じ集光面積（25m2）をもつ冷却赤外線宇宙望遠鏡で、３つの baseline 観測装置（OSS, FIP, MISC-T）で波⻑2.8̶µmから588µmの分光、偏光撮像観測を行う。
これにより、(1) 宇宙再電離から現在まで、銀河がいかに星形成を行い、金属量を増やし、中心の超巨大質量ブラックホールを形成したか、(2) 惑星形成の間にいかにハビタビリティの条件が育まれたか、(3) M型矮星の惑星に生命がもたらされるか、の解決に挑む。
深宇宙探査でのconfusionを克服し、十分な空間分解能で従来の遠赤外線の凡ゆる観測手段と比べて1000倍深い感度を達成(NASAの宇宙物理学ロードマップで定義)
2016.5-2019.8のSTDT活動で実施したこと
サイエンスの定義と優先順位の決定
Concept 1の創出
(上位のscience cases達成に必要不可欠な装置の概念設計)
サイエンスの再定義と優先順位の決定
Concept 2の創出
(上位のscience cases達成に必要不可欠な装置の概念設計)
Baseline Conceptの創出
Upscope Conceptの創出

2016-2019のSTDT活動で実現できたこと
人類のミッションとして、利用可能な技術を米国、欧州、日本から集積し比較- 日本のスペース赤外ミッションの過去の実績と要素技術開発実績のの国際的可視化
・IRTS, あかり/近中間赤外線カメラ(IRC), SPICA Coronagraph Instrument (SCI), SCPIA/MCS- 技術開発ロードマップのスケジュールと照らして利用可能な新規技術の開発
・densified pupil spectrometer (Matsuo et al. 2016) をMISCのベースラインに採用

・Concept 1 検討ではMid-Infrared Imager, Spectrometer and Coronagraph (MISC)の概念設計検討を担当
中間赤外線コロナグラフ装置
中間赤外線撮像・低分散分光・中分散分光・高分散分光装置 (5-38)
中間赤外線系外惑星トランジット分光装置
・Concept 2 検討ではMid-Infrared Spectrometer and Camera (MISC)の概念設計を担当
中間赤外線撮像・低分散分光装置 (5-28µm)
中間赤外線系外惑星トランジット分光装置(Sakon et al. 2018, SPIE, 10698, 1069817)
・Baseline Concept に MISC Transit Spectrometer が残り、Originsの最終検討報告書を分担執筆
・Upscope Concept に MISC Wide Field Imager を維持し、Originsの最終検討報告書を分担執筆(Sakon et al. 2021, JATIS, 7, 011013)
Pre-phase Aスタート時に日本がハードウェア貢献を行うための道筋を確保できた2020 Decadal SurveyでOriginsが選定されたら「20年後のサイエンス」を担うフラッグシップミッションをデザインするà 従来の日本の宇宙科学ミッション遂行のやり方とは異なる部分がある
STDT活動においてサイエンス検討は、- Origins Galaxy Evolution and Cosmology Science Working Group- Origins Milky Way, ISM, and Nearby Galaxies Science Working Group- Origins Solar System Working Group- Origins Disks Working Group- Origins Exoplanets Working Groupで実行されてきた。
à 各ワーキンググループがpre-phase A(2021-2025)にサイエンスの再定義を行う過程で日本の各分野の研究者が加わること(à SPICAミッションのヘリテージはこのサイエンス検討に最も生かされる)
フラッグシップミッションにハードウェア貢献を行うことの意味- 技術のフロンティア、競争・競合の場に「居る」こと- コロナ後、技術の機密・戦略的取り扱いの厳格化が一層進むと考えられる。
国際的な最先端を競う場所に、日本が拠点を持たない限り取り残される。

国際フラッグシップミッションへのハードウェアを通じた貢献の意義-バス部、ミッション部(望遠鏡、観測装置)全体でチームを構成
MISCと望遠鏡、他の観測装置(OSS, FIP)との間で、常にインターフェースを設けながらミッションを推進
コンポーネントレベルでの日本技術のインプットの機会に適時手を挙げられる (日本の技術の売り込み)
あらゆる点で国際的に最先端の技術の土俵に身をおかざるを得ない (最先端の技術の可視化)
全ての観測装置に対して、適切なコンタクト先を持ち、最新の情報共有が可能
MISCだけでなく、OSS, FIPを用いた、サイエンス検討に、ゲストオブザーバーではなくチームとして参加可能
日本の国際プロジェクトにおける実績 (à 他の日本の独自ミッションへの重要なリターンとなる)

作用点
力点
装置MISCを通じた貢献
・日本の独創的装置デザイン(Densified Pupil Spectrometer; baselineに採用)
コスト：437MUSD*注 x (1-α) [α; NASA/Amesの担当割合。特に検出器開発を想定。]
注：Total cost 6.7BUSDの6.5%に相当。現時点でOriginsミッションのコスト見積もりに含有された上でDecadal Committeeに提出