ガンマ線バーストを用いた初期宇宙探査計画

HiZ-GUNDAM
現状と国際協力について
High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission

HiZ-GUNDAM WG メンバー
代表：米徳大輔（金沢大学）
光赤天連進歩 (2017/07/24) @ 国立天文台

1

現在の HiZ-GUNDAM WG メンバーリスト

Jagiellonian Univ.

GRB 待機時の近赤外線望遠鏡の有効利用について他のコミュニティとの議論を始めている

2

z=7

宇宙の誕生と進化
z = 1089

z=0z ～20
暗黒時代の終焉と天体形成の幕開け

Larson & Bromm (2001)

z=7

天文学全体にわたって、宇宙で最初の星が生まれた頃の初期宇宙を探査し、宇宙進化を解き明かす事が大きな目標となっている
科学目標：(1) 宇宙再電離時期の同定と大規模構造形成の初期段階の探査(2) 初期宇宙の星・ブラックホール形成史の解明を目的とした高赤方偏移GRB発生率の測定(3) 低金属環境と宇宙最初の重元素の探査

2020年代では（おそらく2030年代でも）、初代星（Pop-III星）からの直接的な放射を3検出できる可能性があるのはガンマ線バーストのみ

Focus of Large Projects in late 2010’s and 2020’s

z=1000Gamma-Ray Bursts
z=12Time Domain
Astronomy
・初代星

z=0.5

・重力波天体NS-NS, NS-BH, BH-BH
r-プロセス元素合成
・SNe Shock Breakout
・潮汐破壊現象・PeVニュートリノ
・Fast Radio Burst

z=0

・星スーパーフレア
・系内突発天体 4z=7z=6ガンマ線バースト(GRB)

中性子星連星など

重力波Long GRBs (T > 2 sec)・大質量星の爆発 (M>40Msun)
・超新星爆発との同期(energetic Hypernovae)
・E = 1050 – 1054 ergs
・Black Hole ＋相対論的ジェット
Short GRBs (T < 2 sec)・コンパクト連星の合体・融合(?)
・E = 1048 – 1051 ergs
・Black Hole ＋相対論的ジェット (?)

5高赤方偏移GRBの観測
GRB 050904 @ z = 6.295（3.5日後）GRB 130606A @ z = 5.913 （10時間後）
Totani et al. (2014)

Kawai et al. (2006)Totani et al. (2006)

初めて 3 σ以上の有意度で、銀河間空間に中性ガスが存在する兆候を検出した
・ 銀河間空間に影響を与えない・スペクトルがベキ型なので減衰翼を測定しやすい
・矮小銀河に付随するので無バイアスな観測6ガンマ線バーストの観測例
X線・ガンマ線による発見

小口径望遠鏡（30cm 〜 1m）
突発天体の同定

中口径望遠鏡
（2m 〜 4m）
突発天体の情報
赤方偏移の同定
大口径望遠鏡（8m級や Hubble）
詳細分光観測100倍の光度差1時間
1日

T (days after burst in the observer frame in the z = 1 system)

HiZ-GUNDAM (High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission)
ガンマ線バーストを用いて宇宙暗黒時代の終焉と天体形成の幕開けを観測する
初期宇宙の星形成、宇宙再電離、重元素合成の歴史的な変遷の解明を目指す(1) X 線によるGRB 検出と発生情報のアラート送信(2) 自律制御で姿勢変更、近赤外線で残光を追観測(3) 「詳細な方向」と「赤方偏移の情報」をアラート(4) 地上大型望遠鏡と協力して高赤方偏移GRBの分光観測※ GRB の待機時は近赤外線での広域サーベイ観測
GRB 以外の X 線突発天体の監視, 重力波対応天体
衛星重量： バス 200kg + ミッション機器 100kg を想定
投入軌道： 太陽同期極軌道、ローカルタイム 9h-21h
小型科学衛星の機動性を活かして即時追観測を実施

X線イメージング検出器
シリコン + コーデッドマスク
1 – 20 keV の広視野モニター
視野 1 ステラジアン以上
角度分解能5～10分角
有効面積 ~1000 cm2
可視・近赤外線望遠鏡
口径 30cm, 軸外しグレゴリアン
視野34分角
0.5 – 2.5 μm の4バンド測光

機器
レイアウト案8

HiZ-GUNDAM (High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission)
ミッション機器概略
X線撮像検出器

近赤外線望遠鏡

観測帯域

2～20 keV (要求値)
1〜20 keV (目標値)

0.5 µm < λ < 2.5 µm

観測視野

1ステラジアン以上

20分角（10分角よりも十分大きい視野）

方向決定精度

10分角 (目標2分角)

2秒角

赤方偏移の測定―
10–8 erg/cm2/s (要求値)
10–9 erg/cm2/s (目標値)

可視光・近赤外線の4色測光以上

検出感度レートトリガーで10-8 erg/cm2/s
イメージトリガーで10-9 erg/cm2/s

10分露光で20.7等級(AB) (S/N=10)

アラート情報時刻、発生座標、明るさ
アラート時間に30分以内
対する要求

時刻、詳細な発生座標、明るさ、赤方偏移

検出器面積 1,000 cm2 の符号化マスク型広視野X線撮像検出器

口径 30 cm 近赤外線望遠鏡による4バンド同時測光観測

X線による発見

近赤外線追観測

衛星ミッションの範囲

高赤方偏移GRB候補の抽出・30分以内のアラート
1〜2時間後に大型望遠鏡で追観測

9符号化マスク型 広視野Ｘ線撮像検出器の開発

30 cm

Ｘ線源の撮像実証

放射線源
角度分解能 10分角

プロトタイプモデル

超小型衛星(Kanazawa-SAT3)用フライトモデルの開発
重力波源としてのX線突発天体の発見（有効面積： 1/10 GUNDAM）
・ FM ミッション機器は 10 月に完成予定
・ FY2018末以降の早い時期の打ち上げを目指す

HiZ-GUNDAMプロジェクト化までに TRL 8〜910

金沢大学超小型衛星(1) 広視野Ｘ線撮像検出器
ガンマ線トリガー検出器
X線突発天体の検出
発生時刻・方向の同定

金沢大学超小型衛星
2018年度打ち上げ目標

突発天体(2) リアルタイムアラートの送信・ イリジウム衛星を経由したアラート
・ アマチュア無線を利用したアラート(3) 地上ネットワークによる情報展開
地上望遠鏡による追観測

多波長追観測広視野X線撮像検出器 (HiZ-GUNDAM)
5.9 keV

8s detection

55Fe

57Co

Pedestal
1.5 keV

Energy Resolution
ΔE ~ 1.2 keV

X線撮像検出器
観測帯域

2～20 keV (要求値)
1〜20 keV (目標値)

観測視野

1ステラジアン以上

方向決定精度 10分角 (目標2分角)
検出器面積
検出感度

1,000 cm2
10–8 erg/cm2/s (要求値) 1秒
10–9 erg/cm2/s (目標値) 100秒
レートトリガーで10-8 erg/cm2/s
イメージトリガーで10-9 erg/cm2/s

・ 反太陽方向を網羅する指向・ 様々な時間スケールに対するトリガー（約100 ms 〜 100 sec
および 軌道周回毎の差）
12近赤外線望遠鏡

昭和オプトロニクス社による光学設計および迷光解析

リッチークレチアン

オフセットグレゴリアン

迷光：全バンドで 10-3 以上のレベル

迷光：全バンドで 10-6 以下のレベル

広範囲・広視野に対応できる近赤外線望遠鏡としては、オフセットグレゴリアンが有利
OpticsAperture Size
Focal LengthF
Field of View
Pixel Scale
Temperature
Band
Limiting Mag.
Detectors

Offset Gregorian
30 cm
183.5 cmF6.1
34 x 34 arcmin2
2 arcsec (assuming 1k x 1k)Telescope：< 200 K Camera Optics：<170 K Detector：<80 K
0.5−0.9 µm0.9−1.5 µm
1.5−2.0 µm
2.0−2.5 µm
21.4
21.3
20.9
20.7
HyViSiHgCdTeHgCdTeHgCdTe13

CIBER-2 ロケット実験 Lanz et al. (2014)• 近赤外線背景放射の観測を目的とした NASA のロケット実験• 28.5 cm 冷却望遠鏡 ⇒ HiZ-GUNDAM では 30 cm• 3 バンド測光観測の後置光学系（可視光および近赤外線）
à HiZ-GUNDAM における多色同時測光の実証
Flight Configuration

Flight Primary Mirror

14想定される国際協力

15

NISS: Near-IR Imaging Spectrometer
••
•
•
•
•

Technical heritage from MIRIS
Wavelength range: 0.9 ~ 3.8µm (continuous)
Primary mirror 15 cm,
Array format: 1024 x 1024, FoV: ~2 deg. X 2 deg. (15” resol.)
15cm aperture, Imaging & Low-Resolution Spectroscopy (R~20),
Sensitivity ~17 AB mag. – survey area > 100 sq. deg.
2017.3Q : Launch (Falcone 9, SpaceX)

韓国 KASI

16

Optics Assembly Procedure

Slide byW-S. Jeong* Room temperature Alignment è Chamber Cooling è IR Detector PSF Measure (iteration)
Preparation

M1 Alignment

M2 Alignment

Flat mirror setting

M1+OB Assembly(aligning pin)

M2 Assembly(mechanicaltolerance)

Interferometersetting

M2 Alignment(Adjusting tool)

M1+M2 WFEmeasure

M1+M2 Align Check(Align scope/CMM)

M1+M2 Aligning

Main-frame Position
Setting(CMM, Align scope)

M1+OB+Main frame
Assembly/Alignment
M1 Fixation(Bolt/Nut)

Relay Lenses
Alignment

Dewar Module
Assembly

Lens Module
Assembly

Dewar includes
tip/tilt, defocus
adjuster unit.

Chamber Cooling/
IR PSF measure

Interferometer
Alignment

M1+M2 Fixation

Outside: Collimator/Target/IR Source/GSE
Inside: NISS Payload, operating temperature

Module Aligning(aligning pin/CMM)
17Transient high energy sky andearly universe surveyor
ESA M5 Proposed,

technical and programmatic evaluation passed, andundergoing a scientific assessment

18

515 M€ by ESA evaluation
Slide by L. Amati

19

Infrared Telescope (IRT)

Telescope type:Primary & Secondary size:
Material:
Detector type:
Imaging plate scale
Field of view:
Resolution (λ/Δλ):Sensitivity (AB mag):
Filters:
Wavelength range (μm):
Total envelope size (mm):Power (W):
Mass (kg):Slide by L. Amati

Cassegrain
700 mm & 230 mm
SiC (for both optics and optical tube assembly)
Teledyne Hawaii-2RG 2048 x 2048 pixels (18 μm each)0”.3/pixel
10’ x 10’
6’ x 6’2”.1 x 2”.1
1700 (high-res)
2-3 (imaging)
20 (low-res)with 0”.4 slit
H = 22.5 (30s)
H = 20.8 (300s)
H = 19.3 (1800s)
ZYJH
Prism
VPH grating
0.7-1.8 (imaging)
0.7-1.8 (low-res)0.7-1.8 (high-res)
800 Ø x 1800
95
112.6

20

・ 近赤外線望遠鏡の最適化を検討
光学系のトレードオフ検討を実施、さらにアラインメント誤差等を定量評価する予定・ 韓国 KASI・ NISS衛星グループ(WGメンバー)の経験は、HiZ-GUNDAM の近赤外線望遠鏡の開発に大変有益
・ GRB衛星の運用は 7d/24h であるため、国際協力体制が必要。
各イベントに対する duty scientist (to-ban) など。
（ドイツ・イタリア・ポーランド・アメリカ・韓国・台湾 ・・・WGメンバー）・ THESIUS (ESA M5) は HiZ-GUNDAM と同一のコンセプトで、望遠鏡の口径（f70cm) もX線・ガンマ線検出器の規模も大型。
M5 に採択された場合は、日本のGRBコミュニティも国際協力として参加したいと考えている。
・ 特に M4 の段階では望遠鏡部分に対する貢献が求められていた。
21

Thanks

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