GREX-PLUS
Galaxy Reionization EXplorer andPLanetary Universe Spectrometer
GREX-PLUS 検討会
井上昭雄（早稲田大学）

2021/9/8

GREX-PLUS

1光

WISH/G-REX
近赤外線広視野撮像

すばる望遠鏡
可視光広視野撮像 S-Cam, HSC
多様な装置「宇宙すばる」

IPST

©NAOJ

あかり
全天探査
近-中間赤外線
遠赤外線

TMT
高解像度
高分散分光
惑星サイエンス©JAXA/ISAS

冷却望遠鏡
赤外線
広視野撮像
高分散分光

SPICA
遠赤外線(SAFARI)
中間赤外線(SMI) 高分散分光
冷凍機技術

LUVOIR
HabEx
Origins

LAPYUTA※

2021/9/8

銀河サイエンス
Euclid/Romanに無い波長帯
JWSTに無い高分散分光機能
GREX-PLUS

文学

JASMINE 赤外線アレイ回路
LiteBIRD 冷凍機
戦略的な技術の蓄積で実現©wishmission.org

線
天HiZ-GUMDAM

©NAOJ

赤外

Roman

22世紀
世界で1つの望遠鏡に参加

冷却望遠鏡
赤外線
大口径
広視野
汎用性

©JAXA/ISAS

GREX-PLUS※松田有一さんの言葉

2

GREX-PLUS in a nutshell• 冷却宇宙望遠鏡(温度50K)• 口径1.2m
2装置同時観測• 広視野カメラ• 総視野：>0.4平方度(~6バンド分割)• 2-5ミクロン帯：~3バンド• 5-10ミクロン帯：~3バンド• 高分散分光器• 10-20ミクロン帯• R=30,000 (Δv=10 km/s)• 運用期間：5年（＋5年以上目標）• 経費：400億円未満• JAXA/ISAS 戦略的中型規模• 2030年代中盤打ち上げ
2021/9/8

GREX-PLUS

3

GREX-PLUS Surveys: Spitzerより~100倍深い、~1000倍広い
Spitzer衛星のサーベイデータを用いた出版論文数：2500+

空間分解能も~2倍良い

2.5年で可能青: ~3um
橙：~4um

緑: ~6um
桃：~8umx100x100

x1000

x1000

WISE
◇ AKARI○ Spitzer□ JWST

2021/9/8◇ AKARI○ Spitzer

GREX-PLUS

4

GREX-PLUS Hight-Resolution Spectrometer• 波長分解能: 30,000• JWST R~3,000 より一桁高• TMTより数倍以上高感度

TMT/MICHI• 波長も連続的にカバー
R=120,000
R=60,000

GREX-PLUS R=30,000

2021/9/8

GREX-PLUS

5広視野カメラの科学

なんでもできるデータセット(赤外線背景放射、銀河系、太陽系、など)
全波長、マルチメッセンジャー対応天体探しの基盤画像データ• 極めて汎用な2-10µm画像データ
より大きな赤方偏移• GREX-PLUSで初めて見える“Roman-drop”天体が必ず存在 [波長帯の違い]• z>15 初代銀河(および大質量ブラックホール） ~10個か場合によってはそれ以上• z>6 成熟した大質量銀河 (バルマーブレイク・パッシブ銀河) ~10k (c.f. Mawatari+20)• ダストで隠された銀河(および大質量ブラックホール) z>3-4 DOGs ~400-100
z~13 銀河候補 (Harikane+AKI+) → ALMA, JWST
• z>8 遠方超新星爆発(SLSNe, PISNe) ~10個
• などなど(新種の天体も含まれる)• ALMA, JWST, ELTsによる分光ターゲット見つける（広視野撮像）調べる（分光）良いターゲットがあれば世界の競争に打ち勝ってALMA, JWST, ELTsなどの観測時間を獲得できる2021/9/8

GREX-PLUS

6

広視野カメラの科学• 最遠方銀河探査→

サーベイを完遂すれば確実に達成可能

(*)

z

JWST

EuclidRoman

GREX-PLUS

8-10

100--1k~1k~300k~10k

10-12 30--1000--500

10k--50k

300--5k

12-15 1--50

01--5k10--1k>15000--100--1(*)40deg2, 27AB探査のみ
z=20から
宇宙年齢 の時間zMyrΔt

9535

360

11407

232

13323

148

15264

8920

175-(737-cosmology)
2021/9/8

GREX-PLUS

ΛCDMのほころび？
銀河形成の物理？

Less likely in theobservable Universez~13 candidate

Adapted from Behroozi & Silk 18

7高分散分光の科学

野村英子 (2021/3/24)• スペースR=30,000は真にユニーク
JWSTはR~3,000• 波長10-20ミクロン帯＝分子分光の「指紋領域」• 原始惑星系円盤H2Oスノーライン、ケプラー運動分解• 原始惑星系円盤内縁における有機分子生成過程の解明• ホットジュピターの起源：どこで形成されたのか？migration / in-situ• トランジット大気の透過光分光：H2O, NH3, HCN, C2H2などからのC/O比がカギ• 星間化学反応の分岐点: C2H3+ 11.8um vs C3H3 13.2 um• 外惑星の気温構造(大気を理解するための最重要物理量)

藤井友香 (2021/3/25)• H2 S(1) 17.03um, H2 S(2) 12.28 um, H2 連続吸収帯 9.8, 18.2 um

平原靖大 (2021/3/24)
2021/9/8

佐川英夫 (2021/3/25)

GREX-PLUS

8高分散分光の科学

Pontoppidan+10: H2O• 原始惑星系円盤H2Oスノーラインの位置特定

GREX-PLUS:
ダブルピークを分解• 岩石惑星/ガス惑星の棲み分け• 岩石惑星への水と有機物の供給 (海と生命の起源)

JWST: 輝線を分解

Spitzer
野村英子(2021/3/24)
2021/9/8

GREX-PLUS

9高分散分光器• 銀河サイエンスおよび基礎物理も可能• AGN分子ガスアウトフロー（銀河-SMBH共進化を制御するメカニズム）• 銀河間CO分子ガス探査（DLA中の分子ガス調査とDLA母銀河の謎解明）• 微細構造定数の時間進化（Pfα7.5um+[ArII]7.0um, Huα12.4um+[NeII]12.8um）• などなど馬場俊介(2021/3/24)

広視野カメラ• 太陽系・銀河系サイエンスも可能• 氷3um吸収フィーチャー探査• 低温中性子星探査（DMの性質制限）• マイクロレンズBH探査• などなど2021/9/8

GREX-PLUS

10

分野連携
• 広視野カメラ科学は本質的に多波長・マルチメッセンジャー連携• 高分散分光科学は惑星科学と密接に連携• 光赤天連(すばる, SPICA, JASMINE, TMT, 他)• 宇電懇(ALMA, SKA, ngVLA, LST, 他)• 高宇連(Athena, 他)• CRC (CTA, 他)• 理論懇• 惑星科学会

2021/9/8

GREX-PLUS11

実施体制
科学検討メンバー（15名）

中核メンバー（13名）
井上昭雄(早稲田大)：代表、科学検討
金田英宏(名古屋大)：技術検討、分光器
山田亨(宇宙研)：光学系、広視野カメラ
本原顕太郎(国立天文台)：広視野カメラ
大薮進喜(徳島大)：光学系、分光器
和田武彦(宇宙研)：検出器、電気系
石原大助(宇宙研)：技術検討
鈴木仁研(宇宙研)：熱設計
山村一誠(宇宙研)：運用計画
播金優一(東京大)：サーベイ計画

児玉忠恭(東北大)：銀河科学

銀河科学

守屋尭(国立天文台)：超新星・時間軸
超新星・時間軸・銀河面科学
野村英子(国立天文台)：惑星科学

一般メンバー（50名）
登録フォーム2021/9/8

惑星科学
GREX-PLUS

鳥羽儀樹(京都大)松岡良樹(愛媛大)
馬場俊介(国立天文台)
松浦周二(関学大)
大内正己(国立天文台)
但木謙一(国立天文台)

鈴木尚孝(東京大)高田昌広(東京大)野津翔太(理研)
藤井友香(国立天文台)
松尾太郎(名古屋大)
川島由衣(理研)
佐川英夫(京産大)
平原靖大(名古屋大)中川貴雄(宇宙研)
12

実現性
• 高い
• WISH広視野カメラ検討資産のベース• 国内メーカーによる製作が可能な口径1.2m• SPICA冷却システム検討にもとづく望遠鏡と検出器の冷却→リスク・コストの抑制• SPICA/SMI 高分散分光器をそのまま導入• すばる、あかり、SPICA経験者の加入による開発体制の充実• 次世代への技術・経験の継承

中核メンバー13名(助教以上)
科学検討メンバー15名(ほぼ助教以上)
一般メンバー50名
合計78名 さらに募集中• 今後の開発課題• 冷凍機長寿命化(すでに進行中)、低振動化• 地上試験計画• 軽量広視野望遠鏡光学系、鏡材検討
登録ウェブフォームあります• 広視野カメラ熱設計、読み出し回路発熱量低減• 広視野カメラ検出器焦点面配置、多波長タイリング最適化、衛星軌道• 高分散分光器イマージョングレーティング（衛星搭載用コンパクト化）
2021/9/8

GREX-PLUS

13

GREX-PLUS• 最高級の学術的価値• 一つの望遠鏡、2つの装置：銀河＋惑星＋α 非常に幅広いサイエンスが可能• すばる/WISH検討で培った広視野カメラ開発と広視野撮像サーベイ科学• SPICAで培った冷却宇宙望遠鏡技術開発力と高分散分光惑星科学• さらに多種多様なアイデアを大募集！！ 天文学会全体でより良いものを作り上げたい！

• 本質的に分野連携ミッション• 多波長・マルチメッセンジャー連携、惑星科学連携• 高い実現性• WISH・SPICA検討、すばる・TAO・あかり・SPICA人材・技術に裏打ちされた開発体制• 今後の予定• ISAS戦略的中型計画選定を目指して今秋WG設立提案• GREX-PLUSの経験をサイエンス・技術の両面から2040年代の国際メガミッションに活用

2021/9/8

GREX-PLUS

14

GREX-PLUS Sensitivity & Survey plan example
Specification of instruments

HR sensitivity for a point source (1hr, 5σ)CAM(a)

Parameter

HRLow BG/High BG(b)

F232

F303

F397

F520

F680

F890

Band Center (μm)

2.3

3.0

4.0

5.2

6.8

8.9

14

Wavelength (μm)

2.0-2.6

2.6-3.4

3.4-4.5

4.5-5.9

5.9-7.7

7.7-10.1

10-18

Spectral resolution

3.7

3.7

3.7

3.7

3.7

3.7

30000-34000
8” x 3.5”

Field of view

148

222

814

74

74

148

arcmin2arcmin2arcmin2arcmin2arcmin2arcmin2

Pixel scale (arcsec)

0.26

0.26

0.26

0.26

0.26

0.26

1.5

Detector

HgCdTe (4.5 μm cutoff)

HgCdTe (10.1 μm cutoff )Si:AsContinuum Sensitivity(AB mag: 300sec 5σ)

24.7(c)24.5(c)23.8(c)22.5(c)21.4(c)High background (b)Low background20.6(c)(mJy: 1hr 5σ)

4.2/5.0

Line Sensitivity(10-20 W/m2: 1hr 5σ)

3.4/4.1(a) Filter wavelengths are subject to be discussed.
(b) Background levels are assumed to be 16 MJy/str (low ) and 50 MJy/str (high) at λ=14 μm .
(c) Background levels are assumed to be 0.11 MJy/str at λ=3 μm (3 times larger than the North Ecliptic Pole) .

Wide survey plan examples
Parameter
Short wavelength(F232,F303,F397)

Area (deg2)
Target Magnitude (AB)Long wavelength(F520,F680,F890)
2021/9/8

Area (deg2)
Target Magnitude (AB)F520/F680/F890

Ultra Deep

Deep

MediumWide

1.3

40200

2000

27.7 (5σ)

27 (5σ)26 (5σ)24.5 (5σ)~1~40~200~500

25.5/24/24(5σ)

24.4/23/23(5σ)

23/22/22
GREX-PLUS(5σ)

22.5/21/20(5σ)

15V0.2 19 Feb 2021