SKA1

Square Kilometre Array Phase 1

杉山 直+ 国立天文台水沢:小林 秀行, 赤堀卓也
名古屋大学 | 日本SKA協会 会長
2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

1

SKA1
• 学術会議分科会からの注文• 計画変更の内容• 日本の具体的役割• 日本が必要とする予算の信頼できる 値とその獲得方法（特に周波数上限を25GHzまで伸ばすために必要な日本の予算額）。
• 計画全体の１％のシェアで、技術開発等で、広く大学も含め 人材育成できるかどうかの見通し。
• 「日本が得意な高感度・高精度電波技術」とは具体的に何を指すかの明確化。
• ngVLAに対する25GHz帯の優位性の評価 （25GHz帯が受信できるアンテナの台数、有効開口面積など）。

2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

2

SKAで挑む天文・宇宙物理の地平線
それを支える国内の推進母体
宇宙再電離

重力理論

突発天体

天の川銀河第一世代星の質量は？
宇宙再電離はどのように進んだ？

背景重力波は存在する？
アインシュタイン重力理論
は正しい？

FRBの起源は何？
重力波はどこから来た？
宇宙人はいる？

ダークガス問題は解決？
銀河中心より向こう側はどうなっている？

銀河進化・宇宙論

宇宙磁場

AGN

星惑星形成

銀河の水素量はどのくらい？
原始に宇宙の非ガウス性はあった？

磁場と乱流の宇宙進化は？
ミッシングバリオンは見つかる？

ジェットの構造は？
ブラックホールの成長とフィードバックの歴史は？

原始惑星系円盤の氷雪帯内の構造は？
系外にアミノ酸は存在？

SKA1はこれらに先鞭をつける2020年代の大型電波計画
我々はSKA1の先駆機（MWA参加）などを使い準備を進めている

MWA/LOFAR

100 MHz
名古屋大学
鹿児島大学
熊本大学
国立天文台
・・・
2018/9/13

ASKAP/Parkes/MeerKAT

1 GHz

SKA協会

(登録210名, 実働70名)
理論家が中心

JVN

6.7/8 GHz

KaVA/EAVN

22 GHz

SKA VLBI懇談会 山口大学
茨城大学
波及

(登録150名, 実働30名) 大阪府立大学
国立天文台
観測家が中心・・・コミュニティマスタープラン2020シンポジウム

3センチ波帯域の大型干渉計比較

感度の単位は100 m 2 /K、大きいほど良い

事前質問：ngVLAとの性能比較
2010年代名称

2020年代2030年代建設地

JVLA

SKA1-MID

ngVLA

米国 (北半球)

南アフリカ共和国 (南半球)

米国・メキシコ (北半球)

アフリカ諸国 (南半球)

0.058-50

0.35 - 15(24)1.2-50.5, 70-116

0.35-24(50)アンテナ径・数26m x 2715mｘ133 + 13.5mｘ64

18mｘ21415mｘ2000

3本アーム

コア+3本アーム

コア+X本アーム

コア+5本アーム

36 km

150 km1000 km3000 km21520150

1.56 (133台)

1870

観測周波数(GHz)
アレイ構成
最長基線長

感度@1.4GHz
感度@22GHz感度

良角度分解能SK

2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

SKA2-MID

A2

良4

SKAとngVLAの科学テーマの違い
事前質問：ngVLAに対する優位性

SKAは伝統的なセンチ波
天文学の発展＆南天の天体に適している

SKA1

科学目標

ngVLA

◎

宇宙再電離

◎

パルサー
重力理論

◯◎

宇宙磁場

◯◎

宇宙論

◯

突発天体

◯◯

星間化学
アミノ酸

◎◯

惑星形成
銀河形成
星形成

◎◎
◎

ngVLAは
伝統的なミリ波
天文学の発展＆北天の天体に適している

理想的には「どちらもあるべき」

2018/9/13

ただし境界領域の研究は先に稼働するSKA1が先行する可能性が高い
マスタープラン2020シンポジウム

5SKA天文台の全体像とスケジュール
本部＋２観測所300名体制へ

LOW 豪州観測所

SKA1＝ 512局(13.1万基) 最長65km
SKA2＝4880局(125万基) 最長300km

GHQ 英国本部

サイト
5Tbps
データセンタージョドレルバンク観測所(参考)総務省発表2017年11月の日本国内
総ダウンロードトラフィック~10.8Tbps

サイト
3Tbps
データセンターMID 南ア観測所

SKA1=15m鏡133台+13.5m鏡64台 最長150km
SKA2=15m鏡2000台 最長3000km (アフリカ大陸全域)

SKA
工程表
2018/9/13

2018

2019

政府間機構化
詳細審査

2020

入札

2021

2022

2023

SKA1建設システム検証用アレイ

アレイ
アセンブリ：

2019年中に建設体制や調達方法を決定

2024

2025

2026

科学検証・初期科学
AA1
188+0

マスタープラン2020シンポジウム

AA26464+02027

2028

2029 西暦

リスク
シェア

公募
観測

サーベイ

AA3
AA4
256
512
LOW
120+8 133+64 MID(SKA+MKT)
6

SKAの統治体制

IGO化のメリット

輸出入の免税特権、査証特権、資金安定性、法的独立性など• SKA機構は政府間機構(IGO)-SKA天文台となり、長期に安定した運営体制を確立する
nSKA機構には12カ国が参加中• 英国・豪州・南ア・イタリア・スウェーデン・中国・オランダ・
２０１８年
ニュージーランド・ カナダ・インド・ スペイン・フランス 新メンバーnIGO-SKAに6カ国が調印済。2018年9月から発足予定• State member：政府が条約を調印して参加• Associate member：条約を調印せず国家機関が国を代表し参加• Collaborating body：国を代表しないその他の参加

nSKA地域センターを参加国または共同で設置• データアーカイブやポータルサイトの運営

日独の参加形態• アジア圏では中国(上海)が準備中。日本は中韓台との連携を開始
Associate memberとは評議会での議決権はないがstate memberのように建設に貢献し望遠鏡にアクセスできる地位
日独のような大国だがstate memberになれない事情のある国のみに許される
2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

7

計画の変遷事前質問：計画変更の内容についての説明
2013

基本設計

2015

新基本設計(1)(SKA1-SURの中止)
Design設計(1)Baseline
SKA1-Mid
No. dishes
Max. Baseline
Band 1 Feeds
Band 2 Feeds
Band 5 Feeds
Pulsar Search(PSS)
SKA1-Low
No. stations
Max. Baseline
Pulsar Search
CommonCompute PowerPDR

Deployment
設計(2)Baseline

133150 km
133133133
500 nodes

130120 km
13013067375 nodes

512
65 km
167 nodes
260 PFLOPs

SKA-BD-24-07b
Appendix 1

2017

Paper for Approval

CDR

調達用設計(2)(CDRはプラン1を維持)

Re-instatement
SKA1‘+’ means add to system

2019

建設承認へ

(参考) ngVLA

200M€ + 650M€*
1.5B$(MeerKAT + SKA1)+3 dishes at 150 km
建設予算+ infra to 150 km
運用予算 85M€+3 Band 1 Feeds for 3 dishes+3 Band 2 Feeds for3 dishes
2020-2028
建設時期+66Band 5 feeds
建設がはじまる+125 nodes

75M$

476
40 km
125 nodes+36 stations (18 stns at 49 & 65 km)
設計段階 詳細設計の審査中+infra to 65km
+42 nodes
各国の合意の上で概念設計

50 PFLOPs+210 PFLOPs

参加国

予算段階

12カ国

議会承認も進む

2030年代（2020年代？）
米国・カナダ他

これから予算要求àフェイズが違う

コスト | 814M€| 691M€* *2016年から年2.1％インフレを加えた691M€で合意している
Design vs. Deployment Baseline June2017 view

One of the main issues reinforced during this work wasスペイン・フランスの新規参加により
the current funding and
調達用設計(2)とは参加10カ国の予算上限(650M€*)のconsortium agreements is under threat; in addition, somemembers are finding it difficult to(1)と(2)のギャップは一部埋まる見込み
extend due to other pressures.
範囲内で建設可能な設計（参加国がさらに増える見込みもある）
membership of the Consortia. It is clear that the funding for future extensions toThe paper follows the instruction to design a system that can be built within the Cost Cap,

2018/9/13
マスタープラン2020シンポジウム
although the work indicates where further reductions
could be made. However, if funds8日本の参加協力

事前質問：日本が必要とする予算額・1%のシェアで人材育成ができるか日本がSKAに参加しない

９割強の観測時間で観測PIになれない
国際的な技術貢献に参加が認められない• 参加の規模は？

研究競争力の喪失
存在感の喪失n 観測時間は建設費に対する貢献割合で決まる(理事会方針)n 十分な投資額でなくても重要な貢献が見込まれるならば参加を認める
n 日本は建設費の2-4%(18-36億円)の貢献を目標とする• 見返りは？

n KSP*/公募両時間で投資%以上の観測プロジェクトPIの機会 ＊キーサイエンス
プロジェクト：SKA1の観測時間n 日本の科学力・技術力の維持発展、次を担う人材の育成の約7割を占める
大型観測枠
n 日本の国際的なプレゼンスと地位の獲得

日本が4%のPIを獲得
↓
たとえば
KSP4件
公募4件/年
2018/9/13

LOW
Band5
各件にて EoR深宇宙 銀中パルサー
パルサー 突発天体 天の川銀河
複数の星間物質宇宙論 宇宙磁場
重力理論
科学目標
VLBI
Band2を同時に銀局磁場狙える！などなど
銀河進化 宇宙論
パルサー 突発天体

マスタープラン2020シンポジウム

シェア4%でも成果(論文)と人材育成(学位)を数多く生み出せる↓
多モードの同時実行が可能
かつ広視野な望遠鏡であるSKAの強み
9

日本の貢献内容

事前質問：日本の貢献・得意な技術いずれか周波数(GHz)

0.05

LOW

0.3

1.0

Band 1

1.7

Band 23

Band 3

どのオプションプランを選ぶかはSKA本部とのさらなる調整が必要。
その見極めを国立天文台に期待する

5Band 48

Band 5a15

Band 5b24

Band 5cBand B

1A. Band5c受信機の開発と67台の製造(7.6億円)
1B. Band5c受信機の開発と133台の製造(14.5億円)

1C. BandB受信機&デュワーの開発と66台の製造(28.2億円)

Band5cはSKA1の設計に収まらなかった項目ながら重要度が高い
VLBIサイエンス(水メーザーや銀河中心)や分子輝線(アミノ酸など)の探査をSKA1の段階から可能にする科学的に有意義な性能向上に日本が貢献できる

2. システム統合(AIV)と性能評価(SC)への貢献(2.6億円)

日本が担当
ALMAやVERAの開発経験とサイエンスが活きる！

n 干渉計の運用経験を活かす：コヒーレンス・時刻同期・位相安定度・相関安定性などの計測、アンテナ・相関器の結合評価、アレイの総合評価
n 人材提供がSKA本部より依頼されている

3. ソフトウェア開発と導入(1.1億円)

n On the flyマッピングパイプライン、SKA地域センターのEoRソフト

4. VLBIレコーダーの設計と製造(0.3億円)

n VERAの技術をそのまま応用・世界のVLBIの大幅な感度向上に貢献

5. SKA推進室経費(3.6億円)＋運用費(現金分) (0.6億円)
2018/9/13

n マネジメントやプロモーション

マスタープラン2020シンポジウム※金額は人件費を含める10日本の貢献内容

事前質問：日本の貢献・得意な技術いずれか

周波数
(GHz)

0.05

LOW

0.3

1.0

Band 1

1.7

Band 23

Band 3

どのオプションプランを選ぶかはSKA本部とのさらなる調整が必要。
その見極めを国立天文台に期待する

5Band 48

Band 5a15

Band 5b24

Band 5c

Band B

1A. Band5c受信機の開発と67台の製造(7.6億円)
1B. Band5c受信機の開発と133台の製造(14.5億円)

1C. BandB受信機&デュワーの開発と66台の製造(28.2億円)

Band5cはSKA1の設計に収まらなかった項目ながら重要度が高い
VLBIサイエンス(水メーザーや銀河中心)や分子輝線(アミノ酸など)の探査をSKA1の段階から可能にする科学的に有意義な性能向上に日本が貢献できる

日本が担当
ALMAやVERAの開発経験とサイエンスが活きる！

2. システム統合(AIV)と性能評価(SC)への貢献(2.6億円)
日本の貢献が、日本のサイエンスとは一致する必要はない
n 干渉計の運用経験を活かす：コヒーレンス・時刻同期・位相安定度・相関安定性などの計測、アンテナ・相関器の結合評価、アレイの総合評価
KSP（キー・サイエンス・プロジェクト）参加、観測時間確保
n 人材提供がSKA本部より依頼されている

3. ソフトウェア開発と導入(1.1億円)

n On the flyマッピングパイプライン、SKA地域センターのEoRソフト

4. VLBIレコーダーの設計と製造(0.3億円)

n VERAの技術をそのまま応用・世界のVLBIの大幅な感度向上に貢献

5. SKA推進室経費(3.6億円)＋運用費(現金分) (0.6億円)
2018/9/13

n マネジメントやプロモーション

マスタープラン2020シンポジウム※金額は人件費を含める

11

大学と役割分担し概算要求を目指す
学会説明後にコミュニティに対しEoIをリクエスト予定
SKA
天文台

2018

2019

政府間機構化
詳細審査

役割

大学

・拠点形成
・機能強化
・科学研究・技術開発
・人材育成
・地域還元

2018/9/13

入札

2021

2022

SKA1建設システム検証用アレイ

2023

アレイ
アセンブリ：

2024

2025

2026

科学検証

AA1

AA2

AA3

2027
リスク
シェア

AA4

2028

2029 西暦

公募
観測サーベイ
SKA2建設Aプロ 概算要求 6千万円/年【Bプロ共同利用】

・調査 ・旅費(SKA理事会、交渉、各種調査)・技術実証費 ・人件費 ・管理費

Cプロ・管理・運用・・
成
果の２果
競争的資金 3-9千万円/年【先端科学研究・技術開発】 へ実
・SKAアンテナ(水沢)・UHF(水沢)・Band B(鹿児島)の・光IO(水沢)・解析ソフト(名古屋)・結像ソフト(熊本)発の収展
・MID科学試験 (鹿児島・山口・茨城ほか)
穫概算要求 12-30億円【建設・教育】
・高周波受信機開発製造費(ATC・府大ほか)
・VLBIレコーダー開発製造費(水沢ほか)
・MID/LOW統合試験(水沢ほか)

SKA

国 ・工程管理
立 ・資金管理
天 ・国外交渉・国内調整
文 ・研究振興台 ・広報宣伝

2020

・LOW科学試験、結像ソフト(熊本・名古屋)
・地域科学センター・解析ソフト(名古屋ほか)
マスタープラン2020シンポジウム

12

まとめ
• SKA１は2020年代の大型電波計画• 天文・宇宙物理の様々なサイエンスフロンティアに挑む• 日本は宇宙再電離や宇宙磁場、VLBIを使った科学などに興味ある• SKA1の先駆機などを使い準備を進めている• センチ波帯域の大型干渉計比較• SKA1とngVLAは「目指す科学目標」も「フェーズ」も異なる• 境界領域の研究はSKA1が先行する可能性が高い• SKA計画の状況• 2018年にIGO-SKAが発足。より安定した体制に• 新参加国も現れた。資金分担・貢献分担を2019年に決定• 日本は建設費2-4%(18-36億円)程度のシェアを狙う• 高周波受信機の開発によりサイエンス分野を拡大する• VLBI機能の追加により国際VLBI網の感度を大幅に向上する• 大学の人的貢献/受け皿で「顔の見える」統合科学試験への貢献• ソフト開発で宇宙再電離の研究競争を勝ち抜く

2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

13

SKA1全体は大型計画、日本の貢献を希望している
まとめ
予算規模は、VERAの半分程度で大型とは言えない
日本の国力にあった国際共同研究への参加• SKA１は2020年代の大型電波計画
学術会議の応援をいただき、天文台・大学が連携し• 天文・宇宙物理の様々なサイエンスフロンティアに挑む• 日本は宇宙再電離や宇宙磁場、VLBIを使った科学などに興味あるて参加したい• SKA1の先駆機などを使い準備を進めている• センチ波帯域の大型干渉計比較• SKA1とngVLAは「目指す科学目標」も「フェーズ」も異なる• 境界領域の研究はSKA1が先行する可能性が高い• SKA計画の状況• 2018年にIGO-SKAが発足。より安定した体制に• 新参加国も現れた。資金分担・貢献分担を2019年に決定• 日本は建設費2-4%(18-36億円)程度のシェアを狙う• 高周波受信機の開発によりサイエンス分野を拡大する• VLBI機能の追加により国際VLBI網の感度を大幅に向上する• 大学の人的貢献/受け皿で「顔の見える」統合科学試験への貢献• ソフト開発で宇宙再電離の研究競争を勝ち抜く

2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

14

補足資料

2018/9/13

マスタープラン2020シンポジウム

15

補足資料

SKA1&2の注目科学
宇宙の夜明けと宇宙再電離

宇宙論と暗黒エネルギー

中性水素で探る
銀河進化

連続波で探る銀河進化
2018/11/13

SKA1

SKA2

宇宙再電離構造の直接撮像(z = 6 ‒ 12)

宇宙の夜明けの直接撮像(z = 12 ‒ 30)

宇宙の夜明けを垣間見る（1分角までの空間スペクトル、10分角での撮像）

夜明け前の宇宙を垣間見る(z > 30)

暗黒エネルギー、修正重力、超地平線スケー 暗黒エネルギー、修正重力、超地平線スケー
ルでの物質分布の制限（Euclid衛星と比類）
ルでの物質分布の制限（世界最高品質）
原始非ガウス性と物質双極性。
Euclid対比で2倍強いfNL制限

原始非ガウス性と物質双極性。
Euclid対比で10倍強いfNL制限1千万銀河のガスの性質を平均0.3、最大1の赤方偏移まで紐解く。バリオン音響振動。

10億銀河のガスの性質を平均1、最大5の赤方偏移まで紐解く。世界最高の精密宇宙論

3 Mpc離れて、銀河に50pcの分解能、NH < 1017の銀河間ガスに1kpcの分解能10 Mpc離れて、銀河に50pcの分解能、NH < 1017の銀河間ガスに1kpcの分解能

星形成率調査(10 Mo/yrならz ~ 4まで)

星形成率調査(10 Mo/yrならz ~ 10まで)

空間分解した星形成の宇宙物理(活動的なsub-kpc領域がz ~ 1まで)

空間分解した星形成の宇宙物理(活動的なsub-kpc領域がz ~ 6まで)

NSPO

16

補足資料

SKA1&2の注目科学
ブラックホールやパルサーを使った強重力場の検証
宇宙磁場の起源と進化

ダイナミックな
電波の空

生命のゆりかごと宇宙生命の探査2018/11/13

SKA1

SKA2

ナノヘルツ宇宙背景重力波の確率論的な世界初の検出

個別の天体の重力波天文学の新展開（銀河進化、宇宙論など多岐に波及）

一般相対性理論の検証を可能にする
NS-NSまたはPSR-BH連星系の発見と利用

天の川銀河の4万のパルサーを全て見つける。
宇宙検閲官仮説と脱毛定理の検証。

銀河内から宇宙ウェブまでの磁場の役割。
1100万RM画素の全天マップ

宇宙磁場の起源と増幅の歴史。
1.8億RM画素の全天マップ

14 Mpc先で100pc, z~0.04で1kpcの分解能 50 Mpc先で100pc, z~0.13で1kpcの分解能での3次元トモグラフィー
での3次元トモグラフィー
FRBを使って宇宙論が予言する
FRBを使い独立した宇宙論パラメータの調査
最後のピース（ミッシングバリオン）を暴くと銀河間磁場の調査を行う
ガンマ線バーストのフィードバックと超巨大ブラックホールによる星の潮汐破壊の研究

未知の発見

100pc内の原始惑星系円盤で氷雪帯内の撮像。 150pc内の原始惑星系円盤でサブAUスケー
アミノ酸の調査
ルの撮像。アミノ酸の研究
1万個の近傍の星から空港レーダーを捉える
NSPO

10万個の近傍の星から空港レーダーを捉える
10の最近傍星ではTV中継が見える感度
17

補足資料

Band 5c受信機の開発• Band 5c受信機の設計、製作、試験• (66Kステージ) (ワイドフレアコルゲート)ホーン、偏波分離器• (20Kステージ）低雑音アンプ・送電回路• (常温ステージ）ダウンコンバーター

Band 5c
カートリッジのイメージ

4

目標値

3

雑音温度 Trx=8-9 K
開口効率η=60%台

LNA
2018/9/13雑音温度<10K@20K
15(4.6) - 24 GHz

5b

最終スペックはSKA機構と調整中

マスタープラン2020シンポジウム

5c1Band 3,4,5一体型デュワー
5a (他国で設計済)
2

回転台

筐体

18

補足資料

大学やEAVNとの関わり

••
•
•
•

SKA

人的交流

世界最高の望遠鏡
究極的で王道をゆく科学
成熟した技能を国際貢献に活かす場
研究者飛躍の場
天文台の主導＋大学の利用

•
•
•
•
•

EAVN

身近だけど高性能な望遠鏡
柔軟性と機動力を活かした科学
先端技術開発のプラットフォーム
研究者育成の場
大学の自立＋天文台の支援

水沢キャンパス（SKA推進室と水沢VLBI観測所）

三鷹国際オフィス（渉外機能に限定）両輪があることによる相乗効果を狙う
人的交流を活性化し研究力を強化、教育効果も狙う
2018/9/11

SKA1事業計画案

19