LiteBIRD

LiteBIRD

熱いビッグバン以前の宇宙を探索する
宇宙マイクロ波背景放射偏光観測衛星

羽澄昌史
1) Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS), High Energy Accelerator Research Organization (KEK)2) Kavli Institute for Mathematics and Physics of the Universe (Kavli IPMU), The University of Tokyo
3) Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
4) Graduate School for Advanced Studies (SOKENDAI)

for LiteBIRD Joint Study Group背景
LiteBIRD• 学術会議マスタープラン２０１４、２０１７にLiteBIRDが重点大型計画として掲載• 文科省ロードマップ２０１４、２０１７にLiteBIRDが掲載• JAXA宇宙科学ロードマップにおいて、CMB B-modeによるインフレーションの検証は最重要課題の一つ

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LiteBIRD

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LiteBIRD

幹事からのリクエスト：「進捗状況と今後のスケジュール」
を含めること2018/9/13

LiteBIRD

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LiteBIRD overview• JAXA戦略的中型衛星の候補 (12か国の研究者）• Phase A1 (concept development) が2018年8月に完了• ラグランジュ点L2で3年間の観測
JAXA
H3

2018/9/13• The only space
mission proposal in
Phase A in the world• Final selection in 2019
• Launch in ~2027

LiteBIRD

宇宙背景放射(CMB)を用いた
LiteBIRD
インフレーションの検証

Full Success：s(r) < 1 x 10-3 (for r=0)2 ≤ ` ≤ 200
Extra Success: Improve s(r) w/
external data (foreground cleaningand delensing)4

宇宙背景放射(CMB)を用いたインフレーションの検証•••

LiteBIRD
インフレーション宇宙仮説は原始重力波の生成を予言
原始重力波はCMBの偏光マップにBモードと呼ばれる大きな渦模様の痕跡を残す→ 「インフレーションの指紋」
CMB偏光専用電波望遠鏡により時空の量子揺らぎによる原始重力波を検出できる→ 宇宙論の基本パラメータ r (テンソル・スカラー比)の決定→ 量子重力理論（超弦理論）の検証

原始重力波CMB

我々の宇宙の誕生
イン
フレシ
ョ
ン

宇宙年齢
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10-38秒?

Bモード
ビッグ
バン

晴れ
上がり

現在の宇宙

38万年

138億年
LiteBIRD

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“Detecting primordial
gravitational waves would be
one of the most significant
scientific discoveriesof all time.”

LiteBIRD

Final report of the task force
on cosmic microwave
background research“Weiss committee report”July 11, 2005, arXiv/0604101
Masashi Hazumi

The LiteBIRD Satellite for Tests of Cosmic Inflation and Quantum Gravity

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CMB B-mode vs. interferometer
Caprini, Figueroa, arXiv1801.04268 (line w/ nt = 0.2 removed as it is irrelevant)

LiteBIRD

PGW w/ slow-roll consistency

Discovery with CMB B-mode will provide aclear target for a future space interferometer.
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LiteBIRD

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Bモード観測の現状
LiteBIRD

原始重力波起源r < 0.07 (95% C.L.)

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LiteBIRD

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LiteBIRD衛星の感度予想
nA definitive search for the CMB B-modepolarization from cosmic inflationnEither making a discovery or ruling out
well-motivated large-field models

LiteBIRD

原始重力波起源

ミッション要求：s(r) < 1 x 10-3 (for r=0)2 ≤ ` ≤ 200

LiteBIRD

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LiteBIRD

9Why Measurements in Space ?
LiteBIRD• Superb Environment !
– No statistical/systematic
uncertainty due toatmosphere– No limitation for thechoice of observing bands– No ground pickup

Rule of thumb: 1,000 detectors in space ~ 100,000 detectors on ground• Only way to access lowest multipoles w/ precision/accuracy– Both bumps need to be observed for the firm confirmation ofcosmic inflation à We need measurements in space.
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LiteBIRD

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Science Outcomes
LiteBIRD

1. Full success
2. Extra success
3. Characterisation of B-mode(e.g scale-invariance, non-Gaussianity, and parity violation)
4. Large-scale E mode and its implications
for reionisation history and the neutrino mass
5. Birefringence
6. Power spectrum features in polarization
7. SZ effect (thermal and relativistic correction)
8. Anomaly
9. Cross-correlation science
10. Galactic science
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LiteBIRD11

LiteBIRD

Phase A1
2016 Sep. ~ 2018. Aug.

本日お見せする技術情報は、2018年7月時点の公開情報です。
更なる進展は、Phase A1終了審査の後、公開の予定です。

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Phase-A1 日本チーム（約70名）
LiteBIRD

Experience: X-ray satellites, CMB exp.,
Large-scale projects (HEP, ALMA)PI M. Hazumi（KEK/IPMU）
Sub-PI N. Katayama(IPMU）

Advisors
K. Mitsuda(ISAS)
Y. Nakamura(ISAS)Team leader (TL) T. Dotani (ISAS)
Ass. TL H. Tomida (ISAS)

International
collaboration(PI,TL)Operation/GS
H. Ishino(Okayama U.)

Test/verification
H. Sugai(IPMU)

Mission system coordinatorYutaro Sekimoto (ISAS)

PE(TBD JAXA)Bus system coordinator(= TL)
Other subsystems
attitude, propulsion
telemetrypower systemdata processing

Cold mission systemcoordinator
T. Matsumura (IPMU)

Thermal/Structural advisor
S. Utsunomiya (IPMU)
Room. Temp.
electronics
H. Ishino(Okayama)
M. Tsujimoto (ISAS)

Canadareadout team2018/9/13

Cryocooler
K. Shinozaki(JAXA)

Detector
T. Matsumura(IPMU)

Telescope1)
Y. Sekimoto(ISAS)

Modulator
T. Matsumura(IPMU)

1) “Telescope” = LFT+HFT
CC-CTP

US sub-k
Cooler teamUSDetector teamPS
E. Komatsu(MPA)

Europe
HFT team

LiteBIRD

S&MA
TBD(JAXA)
Control
TBD(JAXA)
ThermalTBD(JAXA)

Archive/Dataprocessing
H. Ishino（Okayama U.）
ForegroundN. Katayama(IPMU)
Systematics
H. Ishino(Okayama U.)

Structure
TBD(JAXA)
International Joint Study G
Systematics: H. Ishino
Foreground: N. Katayama
HFT: Y. Sekimoto
Calibration: T. Matsumura, H. Sugai
LL External Collaborators(Planck etc)13

国際協力の著しい進展
LiteBIRD•

米国：NASAのコミットメントでDetector Technology Development（2017年11月より）。ちなみに、本気が伝わってくる金額•

カナダ：CSAのコミットメントでカナダの読み出しエレクトロニクスへの貢献を定義する検討（2018年1月〜8月）およびサイエンス検討（2018年8月より）•

イタリア：ASIのコミットメントでHFTのデザイン（2018年1月より開始）•

フランス：CNESのコミットメントでHFTとSub-K冷凍機（2018年6月より開始）•ヨーロッパ研究者コミュニティ（イタリア、フランス含む）：
LiteBIRDコンソーシアムを結成。
HFT及びSub-K冷凍機デザイン（2017年8月より）•

ESA：JAXA及びヨーロッパコンソーシアムと共同でConcurrent Design Facilityを用いた
HFTとSub-K冷凍機の検討（2018年3月〜6月）•External Collaborators: Space AgencyのコミットメントがなくてもLiteBIRDの検討にエキスパート（Planck経験者など）が参加できる仕組み

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LiteBIRD Joint Study Group
LiteBIRD
About 180 researchers from all over the world

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Design drivers
LiteBIRD

Margin5.7 x 10^(4)

Statisticaluncertainty< 5.7 x10^(-4)

Statistical uncertainty includes- foreground subtraction- lensing B-mode
Broadband 34 – 448 GHz (15 bands)

Systematicuncertainty< 5.7 x 10^(-4)

δr < 1 x 10−3

Systematic uncertainty includes- Polarization efficiency andits knowledge- Disturbance to instrument- Off-boresight pick up- Calibration accuracy
Polarization Modulation

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LiteBIRD Spacecraft
LiteBIRD

JAXA
H3

LFT (Low frequency telescope) 34 – 161 GHz : Synchrotron + CMB
4.5 m

HFT (high frequency telescope) 89 – 448 GHz : CMB + Dust

LFT (5K)
HFT (5K)
Focal plane 0.1K

V-groove
30K
100K
200K

PLM
radiators

SVM/BUS
HG-antenna

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17LiteBIRD product tree
LFT 34 – 161 GHz
HFT 89 – 448 GHz

5K
30K

100K

LiteBIRD

200K

Φ2.4m

LiteBIRD
SVM/BUS

PLM/Mission
300K PLM

日本グループはメーカー検討（MELCO, NEC, SHIなど）
およびインハウスの開発

Cryo-Structure

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HFT

warm readout

Structureantennaantennacompressors

JT/
STcoolers

structure

structure

HWP

HWP

focal plane

focal plane

coldreadout

cold
readout

driversV-groove

digitalelectronics

sub-K
coolerradiators
heat pipes

EULFT

USJapanCanadaLiteBIRD

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LiteBIRD basic parameters
LiteBIRD
Low Frequency Telescope (LFT)

High Frequency Telescope (HFT)

Frequency

34 ~ 161 GHz

89 ~ 448 GHz

field of view> 20 deg ×10 deg> 20 deg ×10 deg

aperture diameter

400 mm

300 mmangular resolution

20 ~ 70 arcmin

10 ~ 40 arcmin

rotational HWP

88 rpm170 rpm

number of detectors

~1000

~2100

Uncertainty of r
Observation period
ScanSensitivity
pointing knowledge

δr < 1 × 10^(­3)
3 years
L2 Lissajous, precession angle 45 deg, spin angle 50 deg (0.1 rpm)
< 3 μK·arcmin< 3 arcmin
bath temperature 100 mK

focal plane array

NETParray = 1.7 μK√s@ 100 mK
f_{knee} < 20 mHz

data transfer

7 GByte/day

mass

2.6 tonelectrical power

3.0 kW

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LiteBIRD

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Simons Array：LiteBIRDと共通の技術
LiteBIRD

Collaboration meeting at KEK (Mar 2017)

First receiver system“POLARBEAR-2” at KEK!
Will be in Chile late October!

Ground-based project carried out by CMB experimenters on LiteBIRD. 10 years ofcollaboration b/w Japan, US, Canada, Europe. Stepping-stone for LiteBIRD.
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Scan strategy
LiteBIRD

Orbit: L2 Lissajous

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# of observations for each sky pixel
w/ a single detector

LiteBIRD

1minutesyearday
1months
week
916
month

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開発モデルと全体スケジュール•

LFT demonstration model (DM) :––•2018/9/13

300K to 5K structures, mechanical coolers (incl. 0.1K), V-groove
Check mechanical and thermal interfaces

PLM engineering model (EM) :–––•

PLM 5K (LFT only) with LF-focal plane at 0.1K
beam, spectral, polarization, multiple reflection at cryogenic temperature.

PLM structure thermal model (STM) :––•

LiteBIRD

Integration of PLM including HFT without SVM
Check PLM interfaces equivalent to FM
Noise and optical efficiency verification, EMC

Flight model (FM) :LiteBIRD

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Schedule after Phase-A1
LiteBIRD• Phase A1終了審査（2018の終わりまで）• 最終セレクション（2019の早い時期）• 打ち上げ ~2027• L2で3年間の観測

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LiteBIRD

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国際情勢
衛星計画に関する1年半前の国際情勢

LiteBIRD• LiteBIRD• JAXA-led strategic large mission (戦略的中型) candidate• Strong US and European participation• The only CMB mission in Phase-A in the world (ISAS/JAXA)• Target launch in ~2027• PIXIE• NASA small PI-led mission proposal Feb 2011, not selected• Re-proposed MIDEX AO (2016 Dec)

• COrE• Mission for ESA M5• Proposal submitted in Oct 2016
• Planned launch date of 2029-2030

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LiteBIRD

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国際情勢
衛星計画に関する現在の国際情勢

LiteBIRD• LiteBIRD• JAXA-led strategic large mission (戦略的中型) candidate• Strong US and European participation• The only CMB mission in Phase-A in the world (ISAS/JAXA• Target launch in ~2027• PIXIE

COrEとPIXIEは、• NASA small PI-led mission
proposal Feb 2011, not selected• Re-proposed
MIDEX AO (2016 Dec)
サイエンスは高く評価されたが• コスト（COrE）、他ミッションとの競合（PIXIE）により不採択
COrE• Mission for ESA M5• Proposal submitted in Oct 2016
LiteBIRDが2020年代のスペース観測の唯一解。
• Planned launch date of 2029-2030

またとない大きなチャンス！

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LiteBIRD

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期待される科学成果
LiteBIRD
ビッグバン以前の観測による成果

新しい学問分野（量子時空の宇宙物理学）の誕生

原始重力波の発見

Yes理論予想と一致
Yes

No

代表的インフレーション宇宙モデルが棄却され、観測による究極理論候補の選別が重要となる人類の世界観に革命No （例：誕生と終焉を繰り返す宇宙）

インフレーション宇宙の証明 à 佐藤勝彦先生ノーベル賞
天文観測による多彩な成果–––––

銀河系・銀河系ハロー・局所銀河群磁場の構造及び起源の解明
星間ダスト組成分布及び整列機構の解明
宇宙再電離史の詳細決定と再電離機構の解明
Galactic Haze emissionの起源の解明
超高精度ミリ波サブミリ波偏光全天探査によるセレンディピタスな発見

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LiteBIRD

国民が興奮し、誇りとするような人類共有の「知の資産」を生む
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