飛翔体による超高エネルギー宇宙線観測(POEMMA と準備実験 EUSO-SPB2)
理化学研究所
滝澤慶之

POEMMA と準備実験 EUSO-SPB2
POEMMAミッションは、EUSO-SPB2で採用する Schmidt 望遠鏡をベースにした主鏡直径6.5mの観測衛星2機によるステレオ観測ミッションで、夜の地球大気を監視し、高エネルギー宇宙線・ニュートリノを観測する。
EUSO-SPB2 (EUSO-Super Pressure Balloon 2号機)

POEMMA (Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics)

PI: Angela V. Olinto 教授 (シカゴ大）

PI: Angela V. Olinto 教授 (シカゴ大）高度30kmから、水平線方向の夜の大気の宇宙線が作る空気シャワーの大気蛍光、ニュートリノからのチェレンコフ光の観測をする。

2017 年 NASA probe studies for 2020 decadal surveyに選定され総予算 50億円
2021年 4月頃 飛揚、観測(最長 3 ヶ月)

概念設計を行なっている。(1B$ カテゴリ）

2018年12月に最終レポートをNASAに提出する予定。

2023 年 システム要求審査 (SRR)
2024 年 基本設計審査 (PDR)
2025 年 基本設計審査(CDR)
2027 年 打ち上げ

EUSO-SPB1

Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon
Launch, April 24, 2017 23:51 UTC

12 days, 4 hours and 34 minutes aloft.

• 正常に動作。

• 引き続き、データ解析中。
• 今のところ宇宙線によるエアシャワー検出には至っていません。

• シミュレーションなどによる12日間の露出での期待値は1.6イベント。
• 統計的には、検出なしで矛盾はない。

短いフライトになった原因について

NASAの調査委員会での報告では、放球時の火薬でのボルト切断の破片が、気球を傷つけ、スローリークの原因になったと、されています。

POEMMAの観測性能と目的
超高エネルギー宇宙線ニュートリノ

高露出での全天の超高エネルギー宇宙線の観測
・起源の同定とその分布

宇宙からのニュートリノ検出
全天観測

・宇宙線の組成・宇宙空間の磁場強度分布

EUSO-SPB2 望遠鏡デザイン
水平垂直主鏡: 1.8m x 1.1m 球面鏡 (R=1659.8mm)

補正レンズ: 直径1m、平面+非球面、アクリル
F# : 0.86

スポットサイズ: 3mm

Pat. Reardon (UAH) from slide of the JEM-EUSO meeting

角度分解能 0.2 /pixel

チェレンコフ光: 1台、 Bifocal
45 水平 Full-field of view
3.2 垂直 Full-field of view

期待値: 1000イベント/100日
大気蛍光光: 2台

28.8 水平 Full-field of view
3.2垂直 Full-field of view

期待値:5イベント/100日

主鏡を上下に２分割して 0.4度回転させ、二つのイメージを焦点面に結像する。 0.4度 -> MAPMT１個分の幅をずらす角度

POEMMA 望遠鏡デザイン
主鏡: 直径6.5m 球面鏡
補正レンズ: 直径3.3m、非球面、アクリル
FOV: 45
F# : 0.77
スポットサイズ: 3mm
角度分解能 1 /pixel
軌道: 525 km -1,000 km

衛星２機によるステレオ観測日本の参加内容• EUSO-SPB2（米国、総予算50億円）• Schmidt 望遠鏡の直径 1.0m 補正レンズ の供給• フライト 3枚• マルチアノード光電子増倍管の一部供給• POEMMA（米国、総予算750億円以上1000億円未満、打上費用含む）• Schmidt 望遠鏡の直径 3.3m 補正レンズの供給• フライト 2枚、バックアップ2枚• レンズフレーム• マルチアノード光電子増倍管の一部供給

理研でのEUSO系大型レンズ製作の経験
cEUSO

40 cm lensJEM-EUSO BBM

1.5 m lensCentral area of 2.5 m lens

EUSO-TA1 m lens

1.5m lensdiffractive lensMini-EUSO
POEMMA

3.3m 非球面レンズ

EUSO-SPB2

1m 非球面レンズ

25 cm lens

EUSO-balloon

1.5m lens

1 m lens

EUSO-SPB
1 m lens

理研でのEUSO系大型レンズ製作の経験
cEUSO

40 cm lensJEM-EUSO BBM

1.5 m lensCentral area of 2.5 m lens

EUSO-TA1 m lens

米国チームよりレンズ製造での参加を1.5m lens

要望されております。
diffractive lens

1.5m lens

EUSO-balloon
1 m lens

日本チームは、この重要なキーコンポーネント
Mini-EUSO
EUSO-SPB
25 cm lens

1 m lens

POEMMAを供給したいと考えています。

3.3m 非球面レンズ

EUSO-SPB2

1m 非球面レンズ

計画状況 (実施中・提案中)EUSO-SPB2 (実施中、観測 2021年4月頃）• 米国 EUSOチームが推進し、2017年に NASA が採択した。
• 詳細設計が進行中である。
• 理研は、レンズ製作の観点から、光学設計チームに参加し製造性を考量した光学デザイン構築に貢献している。
POEMMA (提案中、準備研究を実施中)• 2017 年、米国にてNext decadal surveyの「深宇宙観測ミッションの概念設計研究」の一つとして、採択され進行中である。
• 2018年12月最終報告書をNASAへ提出予定

総経費および予算
EUSO-SPB2
米国での総経費 50 億円(詳細設計: 5 億円、製造: 40 億円、解析: 5 億円)
POEMMA
米国での総経費 750 億円以上 1000 億円以下を想定(打上費用含む)。
米国 Next decadal survey の準備研究で概念設計(予算額含む)を実施中。

目的、学術的意義• 最高のエネルギーをもった宇宙線粒子の源を探査する。
• 全天の観測。
• POEMMAの積算露出量（5年間）は、Augerの20倍以上と見積もっている。
• 最高エネルギー粒子の点源を、全天で10個程度の検出が期待されている。
• 超高エネルギーニュートリノの検出・測定ができる感度を有している。

実施機関・体制
POEMMA 及び EUSO-SPB2 は、次に示す機関で実施する。
米国チーム
シカゴ大学、コロラドスクールオブマインズ州立大学、アラバ
マ大学ハンツビル校、他、NASA
日本及び国際チーム
理化学研究所、東大宇宙線研究所、甲南大学、大阪市立大学、
JEM-EUSOコラボレーションの欧州各国の大学・研究機関、各国宇宙機関などで実施する。

現在までの準備・実施状況
EUSO-SPB (2017、12 日間飛行) 及び EUSOBalloon (2014、8 時間飛行)の気球実験を 2 回行なっている。
どちらの検出器も、予定通りに作動し良好な観測データを取得した。
これらの観測実験により、望遠鏡製造技術、リモートセンシング技術が確立した。

EUSO-SPB1EUSO-Balloon

マスタープラン2017への採否状況
K-EUSOを申請し不採択となりましたが、この場で議論をして頂き、広くK-EUSOを認知して頂きました。
宇宙研・宇宙理学委員会のサポートを頂くことができました。
宇宙研より２年間の戦略的開発費（理学）(2015年:1,453万円、2016年:1,389万円)により、K-EUSOに日本担当部分の課題（レンズ製作等）の技術確認を行うことができました。これにより、レンズ製作は、科研費枠レベルで実施できる状態となりました。
K-EUSOは、ロシアのミッションに日本がパートナーとして参加するミッションで、これに国際JEM-EUSOコラボレーションが協力して実施する国際宇宙ステーションからの超高エネルギー宇宙線観測計画である。

質問内容
現状を踏まえた日本の宇宙線将来計画としての見通し。コミュニティでの今後の検討の進め方。
POEMMAの準備研究が、昨年後半に米国で立ちあがった状況のため、日本国内でのコミュニティでの議論は、不十分な状態です。
米国では、2018年12月にPOEMMAの最終レポートが提出されます。

それをもとに、コミュニティでのタウンミーティング等で、議論をさせて頂きたく考えています。

まとめ
POEMMAは、マルチメッセンジャー宇宙望遠鏡です。
衛星軌道から超高エネルギーの宇宙線天文学を始めます。
（荷電粒子、ニュートリノ)
日本の参加内容• EUSO-SPB2（米国、総予算50億円）• Schmidt 望遠鏡の直径 1.0m 補正レンズ の供給•

フライト 3枚• マルチアノード光電子増倍管の一部供給• POEMMA（米国：総予算750億円以上1000億円未満）• Schmidt 望遠鏡の直径 3.3m 補正レンズの供給•

フライト 2枚、バックアップ2枚•

レンズフレーム• マルチアノード光電子増倍管の一部供給