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Athena 経緯
2013年11月 ESA L2計画のサイエンステーマとして、”Hot and Energetic Universe”が採択
2014年6月 “Hot and Energetic Universe” のために、Athena が採択
ただし、コスト・実現性から、日米との国際協力が必須。
ESA~1B€、NASA~0.15B€、JAXA~0.05B€

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サイエンステーマ: Hot and Energetic Universe
・”Hot Universe”
銀河団の成長の解明
 銀河団の物質の主成分はX線ガス
・”Energetic Universe”
巨大BHの成長と周辺への影響の解明
BHは物質を飲み込みつつX線を出す

このテーマにはX線観測が必要Athena

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搭載機器構成
L2 (or L1) orbit
M～7000 kgLife∼4 yrs
X-IFU
TES calorimeter
Δ𝐸 ∼ 2.5𝑒𝑉 高精度SPO∼3m

PSF∼ 5“ 大面積𝑆 ∼ 1.4𝑚2 @1𝑘𝑒𝑉
WFI

12m

DEPFET
FOV∼ 40′
広視野52030年代唯一の大型X線衛星
大型天文台との連携
もし活動銀河核 (ULIRG) NGC6240 が、z=7 に存在したらCTAXRISM Athenaへ

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XRISM vs. Athena
圧倒的な性能向上
面積 30倍、角度分解能 16倍、視野×面積 100倍
XRISM
角度分解能 (望遠鏡) 80 秒角(カロリ) 36画素
面積 @ 1keV
0.06 𝑚2@ 6keV
0.04 𝑚2
エネルギー分解能(カロリ) 5 eV
視野 (カロリ) 3分角四方(半導体) 38分角四方Athena5秒角
3840画素2 𝑚2
0.2 𝑚22.5 eV
直径5分角
40分角四方圧倒的感度で宇宙の歴史を見る
𝒛 ∼ 𝟎 現在の銀河団

𝒛 ∼ 𝟐 最初の銀河団

XRISM:現在の宇宙
お互いを制御再電離

𝒛∼𝟏−𝟒Athena: 「空間分解」+「時間軸」
𝒛 ∼ 𝟎 静かなBH

フィードバック

激しい成長

9𝒛 > 𝟔 巨大BHの種Athenaサイエンス(フィードバック)2018/11/1410構造形成とフィードバック
フィードバックが無ければ、• 銀河団ガス冷え過ぎる• 重い銀河が出来過ぎる• 円盤銀河のバルジが大きくなり過ぎる• 衛星銀河が多すぎる• 銀河中心がカスプになる etc.

知りたい事
・何がエネルギーの元？ (SN? AGN? CR? 他？)
・星間ガスのどこにエネルギー注入？
・エネルギーはどうやって伝播する？
・構造形成をどうやって制御する？

Athena でガスの energetics を解明
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11ひとみの成果

ペルセウス座銀河団

高温ガスの乱流測定に成功
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Hitomi collaboration Nature, 2016, v535, 116ひとみが開いた謎
20万光年が20億年で冷却・乱流が全て熱に散逸すると仮定すると(非自明な仮定だが)乱流エネルギー~熱エネルギーの4%20億年×4%=8000万年毎にエネル
ギー注入
8000万年×160 km/s = 4万光年<< 20万光年

どうやって全体を温めているのか？

ガスのダイナミクスを空間分解観測
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ひとみ,XRISMAthena
ひとみ Perseus

Athena simulation

PASJ 2018, Volume 70, Issue 2, 1 March 2018, 9

ひとみ、XRISM…近傍の明るい銀河団を粗く分解
Athena … 暗く、遠い銀河団まで詳細空間分解
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Athenaへの日本の参加

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目的• ひとみ、XRISMの成果をもとに、Athenaサイエンスを成功に導く。
• Athenaのハードウェアに寄与し、Athenaを成立させる。
これらをもとに、観測時間の日本枠を得たい。
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Athenaサイエンスに向けてひとみの成果: 原子物理計算が、ひとみの精緻なスペクトルを説明するレベルに達していない。
Hitomi collaboration PASJ, Volume 70, Issue 2, id.12

ひとみ、XRISMで• X線精密分光の基礎を築く• これがなければ、Athenaデータを物理に焼き直せない。
• 新しいサイエンスを生み出す

そしてAthena サイエンスを成功へ

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Athena Science Study Team & WG
ESA Athena Science Study Team (ASST)
M. Guainazzi (Chair), K. Nandra (Science Lead & WFI), D. Barret (X-IFU), A. Decourchelle, J.W. den Herder, A.C. Fabian, 松本 (阪大),
L. Piro, R. Smith (NASA), R. Willingale.
SWG1
Hot Universe
Fabian, Reiprich, 大橋(首都大)SWG2Energetic Universe
Nandra, Cappi, Brenneman

SWG1.1
Evolution of galaxy groupand clusters
Allen, 太田 (奈良女),
Pointecouteau
SWG1.2Astrophysics of galaxygroup and clusters
Ettori, Pratt, Eckert
SWG1.3AGN feedback in galaxygroup and clusters
Croston, Sanders,
McNamara
SWG1.4
Missing baryons and warmhot intergalactic medium
Kaastra, Finoguenov

SWG2.1
Formation and growth ofearliest SMBH
Aird, Comastri
SWG2.2
Understanding the build-upof SMBH and galaxies
Georgakakis, Carrera, 上田(京大)
SWG2.3
Feedback in local AGN andstar forming galaxies
Ponti, Ptak, 寺島(愛媛大)SWG2.4Close environments ofSMBH
Dovciak, Matt, Miniutti
SWG2.5Physics of accretion
Done, Miller, Motch
SWG2.6
Luminous extragalactictransientsJonker, O´Brien

SWG3
Observatory
Decourchelle, 松本, Smith

TWG4Telescope
Willingale, Pareschi

MWG5
Mission Performanceden Herder, Piro, Rau

SWG3.1
Solar System & exoplanets
Branduardi-Raymont, Güdel
SWG3.2
Star formation andevolution
Rauw, Sciortino
SWG3.3End points of stellar
evolution
Bozzo, Schwope
SWG3.4
Supernova remnants &Interstellar medium
馬場(東大), Costantini
SWG3.5Multiwavelength synergy
Combes, Salvato

粟木(愛媛大)、前田(ISAS)

MWG5.1
Science ground segment
Watson, Webb
MWG5.2
Background
Laurent, Molendi
MWG5.3
Inter-calibration
Burwitz, Pajot, Sembay
MWG5.4End-to-end simulations
Peille, Wilms
MWG5.5
Advanced analysis tools
Fiore, Haberi
MWG5.6
Targets of opportunity
Basa, Troja

日本人チェア
ASST: 1名 (米国とほぼ同数)
SWG chair:6名

Athenaハードウェアへの寄与• メイン: X-IFU (カロリメーター)– 4KJT, 2KJT, 冷却系設計、検証計画• 日本がやらなければ成立しない。
• ひとみ、XRISM、ミッション横断型 Cooling Chain-Core
Technology Program (CC-CTP) 活動を元に– 較正• オプション
– X-IFU: センサ読み出し用SQUID– 較正 (SPO, WFI)• 2019年1月には、SPO光学測定実験をSPring-8で実行– 運用など

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X-IFU (カロリメーター) 冷却系
無冷媒冷却系

15K pulse tube

5個
2個

ESA from ALAT

4K Joule-Thomson
JAXA
2K Joule-Thomson
2個
ESA from RAL から、 JAXAに変更
50mK sorption ADR
CEA-SBT
1個
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20(ESAは、2KJTを製作出来ることを、技術的に立証出来なかった。)

進捗状況

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Athena全体
2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

Phase 0Phase A
Phase B1
Phase B2

Phase A: 概念設計、Phase B: 予備設計 (B1 Primes選定, B2 契約・設計改訂)
Instrument Preliminary
Requirement Review

Mission Formulation Review

Mission adoption Review• 2021終盤に、Mission adoption。ここで Athena 全容が決定。日本のハードウェア寄与も決定。
• 打ち上げは2030年初頭。
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Phase Aでの課題• Mission Consolidation Review (2016) で出た課題– 衛星全体の質量、コストの最適化– X-IFU 冷却系最適化、多数ピクセルの処理– 検出器プラットフォームの最適化– 望遠鏡の角度分解能向上

・毎週金曜 ASST テレコン
・2—3か月ごと ASST meeting
でPhase A 進捗状況を確認 (松本参加)
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ISAS Athena WG• 2015年2月:小規模プロジェクト応募• 2015年8月:小規模P評価委員会委員長– 国際協力の中で戦略性を持ち取り組むべき意義は高い。
– しかしその規模から、Athena単独ではなく、宇宙科学プログ
ラム上戦略的に得られる価値の観点から、計画の位置づけを再定義• Athena は「戦略的海外共同計画」の候補– 計画の詳細化ののち、再評価• X-IFU proto-consortium に Letter of Commitment を発出– Athenaの冷却系開発は、SPICA, LiteBIRDなどにも活用できるキー技術。ESA のCryo-Chain Core Technology Programに参画し、小規模プロジェクトとは独立して実行。
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X-IFU 冷却系日本開発• X-IFU proto-consortium Co-PI として参加– 満田 (ISAS), 山崎 (ISAS), 篠崎 (JAXA), 佐藤 (埼玉)• CC-CTP 対応チームで開発– Athena, SPICA, LiteBIRD、JAXA熱グループ• 2017年度無冷媒冷却試験160日以上@フランス– 日本 4KJT + 日本2KJT + CEA 50mK 冷凍機– 結果は良好。次はセンサを組み込んだX-IFU
Demonstration modelを製作し、実際の冷却系の仕様と構成をすべて決定する。
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2K JT
Hybridcooler
4K JT

組み込まれたセットアップのお披露目。
日仏合同実験チーム＋X-IFU PI & PM

CC-CTPでの冷凍機構成のコア部分

無冷媒での室温からの冷却例

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予算• 合計約50億円程度–主にX-IFU冷却系• まだ厳密には仕様は確定せず。
• 4KJTはひとみの実績、2KJTは戦略コンポーネントとしての見積りがベース。
• JT装置、駆動装置、FM/EM/QM等も考慮
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backup2018/11/14

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Athenaサイエンス(巨大BH成長)2018/11/14

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巨大BHの成長
AGN ダウンサイジング
X-ray selected AGN

なぜ、巨大BHほど先に成長を止めたのか？
AGNからのフィードバックでガス供給が止まる？
光度によってフィードバックのメカニズムが異なる？

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Ueda, Y. et al. 201430

巨大BHの銀河への影響
PDS456 (𝑧 = 0.184)

AGN風で周囲に影響？ Wind 速度、電離状態、密度力学エネルギー測定
高赤方偏移までWindを観測し、そのエネルギーが、銀河の物質を2018/11/14
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飛ばすに足るのかどうかを決定する。星形成と巨大BH
Ueda et al. 2015

•Ueda et al. 2014𝑧 > 3でBH成長と星形成率に違い？z>3のAGNサンプルが完全でないのかも。
• Hi-zでは埋もれたAGN多硬X線観測32•2018/11/14
赤方偏移で硬X線は軟X線にくる  Athenaでサーベイ