光赤天連シンポジウム
2021/09/08

惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画
Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY
Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA)
土屋史紀（東北大大学大学院理学研究科）・村上豪（JAXA宇宙科学研究所）
LAPYUTAワーキンググループ

LAPYUTA計画概要
Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly
惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画
2021年1月 宇宙科学研究所 公募型小型計画検討ワーキンググループ設立
公募型小型規模で口径60cm・空間分解能0.1”の高感度・高空間分解能紫外線宇宙望遠鏡を目指す
科学目標
I. 太陽系科学
・氷衛星プリュームの噴出機構解明
・木星・土星系における磁気圏―衛星間物質・エネルギー輸送過程の解明
・金星・火星散逸大気の定量から地球型惑星大気の持続性・進化過程を解明

II. 太陽系外惑星
地球型惑星高層大気の観測による海洋・氷の有無や惑星形成過程の解明

III. 宇宙論
近傍宇宙における冷たい暗黒物質モデルの観測的検証

IV. マルチメッセンジャー・時間領域天文学
中性子星合体による重元素合成の検証

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光赤外天文学の将来計画との位置づけ
LAPYUTAが取り組む課題③冷たい暗黒物質モデルの観測的検証④重元素の起源の解明①太陽系内天体の生命環境の解明②地球類似惑星の発見と進化の解明

2020年代に光赤外天文学が取り組むべき優先課題と、各サイエンステーマ毎の主要課題との関係、および主要な観測手法に関するキーワードとの関係（2020年代の光赤外天文学－将来計画報告書－より抜粋）

学術的価値I. 太陽系科学

惑星系形成・進化の解明と宇宙生命探査

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太陽系内における生命存在可能環境とその進化の解明
氷衛星の地下海と地球型惑星大気を高感度・高解像度の紫外線分光撮像で長期モニタ
氷衛星の表層から噴出するプルームの物理特性（発生条件・頻度・場所）

生命存在可能環境をもつ
地下海の存在と構造
エウロパの水プルーム(Roth et al. 2014)

木星・土星系における磁気圏・プラズマ環境の時間変動

氷衛星地下海の生命圏維持に必要な物質・エネルギー供給(Johnson et al. 2004)

金星・火星外圏大気の広がり散逸大気の定量・太陽風応答
過去に大量に存在した水の行方、惑星大気の持続性・進化過程、系外惑星大気への知見の拡張© ESA, C. Carreau学術的価値II. 太陽系外惑星

惑星系形成・進化の解明と宇宙生命探査

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高層大気の観測を通した地球類似惑星の発見および惑星進化過程の解明
系外惑星の紫外線トランジット観測による外圏大気と惑星風（水素・酸素）の検出および特徴づけ(1) 地球型惑星と金星・火星型惑星の区別 → 温暖な気候を持つ惑星（ハビタブル惑星）候補の発見(2) 大規模に流出する地球型惑星大気の発見・詳細観測 → 惑星進化の系統的理解
・2020年代後半に発見が期待される最適ターゲットを対象
・30-40m地上望遠鏡との連携© 中山陽史 (東大)300,000 km

HZ of cool star: close to star -> High UV irradiation (> x10)
金星型惑星の大気
地球型惑星の大気
O2-richCO2-rich

Black: Star, White: Planet

300,000 kmThe Earth-like planet has extended oxygencorona

恒星の紫外線強度・フレア活動も科学目標として検討→惑星大気進化に影響学術的価値III:宇宙論
近傍宇宙における冷たい暗黒物質モデルの観測的検証

宇宙の加速膨張とダークマターの解明 6

ミッシングサテライト問題： 20世紀末からの未解決問題➔ 水素ライマンα線の放射・吸収をそれぞれ捉え、ガス大規模構造を明らかにする
現在の宇宙のバリオン構造
3) Lyα Absorber

1) Lyα Intensity

Credit: Khee-Gan Lee (MPIA)
and Casey Stark (UC Berkeley)

Credit: NASA / ESA / Hubble /ESO / Lutz Wisotzki et al.

2) GalaxyStars

Credit:Matt Hayes-Complement to SPHEREx-HI tomography map-Comparing with SDSS, LSST,[Boehm et al., 2014]
Roman/EUCLID
Galaxies in・紫外線の広領域撮像と分光→ガス(+星)探査を実現
Gaseous Large-Scale Structures
・銀河と銀河間ガスを含めた定量評価(筑波大;矢島秀伸 , 東大;小野宜昭らの協力)
http://spherex.caltech.edu/Science.html#Inflation

学術的価値IV. マルチメッセンジャー・時間領域天文学
中性子星合体による重元素合成の検証

物質宇宙の多様性とその進化の解明

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宇宙における重元素の起源：50年以上続く宇宙物理学の問題
マルチメッセンジャー 天文学で検証可能な時代に
JetHeavyelements(C) ESA

Neutron starmergerLAPYUTAの時代の
マルチメッセンジャー 天文学
重元素合成による
LIGO/Virgo/KAGRA/LIGO Indiaによる最初の電磁波シグナルは紫外線ネットワーク観測➔ 紫外線で重力波天体の最初の１時間を捉える → 10 deg2 以下の位置決定精度➔ 重元素合成の全容解明へ→ LAPYUTAの広視野カメラで(元素の種類、量と分布)
1時間以内に23 mag (AB) のサーベイが可能Gravitational
Wave

GW170817

Alert(C) KAGRA

Multi-messenger
astronomy(C) NAOJ/Nagoya U.

LAPYUTAの時代の時間領域天文学
Rubin望遠鏡 (LSST)による可視光領域の徹底的なサーベイ→ 紫外線がフロンティア→ あらゆる爆発天体の最初の瞬間(超新星爆発や相対論的ジェットのメカニズム)
高エネルギー物理への波及

LAPYUTA：概念設計
主要諸元
・主鏡口径：60 cm
・有効面積：>350 cm2
・空間分解能：0.1秒角
・波長範囲：110-190 nm
・波長分解能：0.01 nm
・視野：>100秒角（分光）、10分角（広視野撮像）
・衛星バス：SPRINTバス
・遠地点高度：> 1000 km
主要観測装置・分光観測装置
・広視野イメージャ・UVスリットイメージャ
提案目標：公募型小型打ち上げ目標：2029-2030年度

8提案目標：公募型小型打ち上げ目標：2029-2030年度

Year181920

JUNO

HisakiIR

主要観測装置・分光観測装置
・広視野イメージャ・UVスリットイメージャLAPYUTAの役割
・2030年代の紫外線惑星観測プラットフォーム
・将来の大型計画による宇宙生命探査への先鞭
Outer planet
exploration

主要諸元
・主鏡口径：60 cm
・有効面積：>350 cm2
・空間分解能：0.1秒角
・波長範囲：110-190 nm
・波長分解能：0.01 nm
・視野：>100秒角（分光）、10分角（広視野撮像）
・衛星バス：SPRINTバス
・遠地点高度：> 1000 km

HST・WSO-UV後の紫外線望遠鏡計画はない

Space telescope
OpticalUVLAPYUTA：概念設計

92122232425

26

27282930

3132

EuropaClipperJUICE

WSO-UVLAPYUTA

HST
JWST

Ariel

技術開発：2021-2022年の検討課題
衛星・望遠鏡システム検討• 公募型小型規模で口径60 cm級かつ高精度宇宙望遠鏡の実現：過去実績の最大活用
キー技術開発• 軽量遠鏡技術：軽量ミラーと支持構造• 高空間分解能を達成するための姿勢擾乱補正機能
宇宙望遠鏡の新しいコンセプト：分光器内に０次光を撮像する可視光視野モニタカメラを検討
共通基盤技術• 短周期の天体像揺らぎを高速撮像後に位置補正（電子式手ぶれ補正）開発を推進• 高感度・広視野観測を実現するための検出器• WSO-UVのヘリテージをもとに開発。将来のLUVOIR参画への接続。
[Mizutani et al., 2020]

擾乱補正あり擾乱補正なしエウロパ
プルーム

軽量望遠鏡技術

高速撮像による”手振れ補正”機能

高感度・大型検出器

マスタープラン2023への応募：まとめ• LAPYUTA計画は、2020年代末～2030年代の観測を目指す高感度・高解像度の紫外線宇宙望遠鏡計画である。JAXA宇宙科学研究所 公募型小型計画での実施を目指し、公募型小型計画検討ワーキンググループで検討を進めている。
• 学術的価値：光赤外天文学分野の掲げる3大課題にLAPYUTA計画は横通しで取り組みつつ、その成果は太陽系科学分野、系外惑星分野にも波及する。
• 【太陽系科学】太陽系内における生命存在可能環境とその進化の解明• 【系外惑星】高層大気の観測を通した地球類似惑星の発見および惑星進化過程の解明• 【宇宙論】近傍宇宙における冷たい暗黒物質モデルの観測的検証• 【マルチメッセンジャー】中性子星合体による重元素合成の検証• 緊急性：どの科学目標においてもそれぞれLAPYUTAは世界的にユニークな役割を果たしており、2030年頃の実現が必須であるとともに、将来の国際大型計画に向けた日本のキー技術の実証としても必要である。
• 各分野での連携：地球・惑星科学分野で培われた紫外線観測技術と、天文学・太陽物理学分野により培われた望遠鏡技術を融合し、広い研究コミュニティに紫外線観測手段を提供する。光赤天連においては2030年代将来計画の一つとして検討を続けている。
• 計画の実現性：ISAS公募型小型WGとして採択され、2021年度よりシステム検討およびキー技術開発を開始している。過去のヘリテージを最大限に活用しつつ、開発経験のある研究者を中心に公募型小型規模で高精度宇宙望遠鏡の2030年頃打ち上げを目指す。

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