SUNRISE-3気球実験における国際協力
勝川行雄1, 清水敏文2, C. Quintero Noda2, 久保雅仁1, 原弘久1,一本潔1,3
都築俊宏1, 浦口史寛1, 納富良文1,末松芳法1, 石川遼子1, 鹿野良平1
田村友範1, 大場崇義2, 川畑佑典2, 永田伸一3, 石川真之介4
J. C. del Toro Iniesta5, S. Solanki6
1: 国立天文台 2: ISAS/JAXA 3: 京都大 4: 名大 5: IAA-CSIC 6: MPS
可視赤外線観測装置技術ワーク

1

2018/2/25

国際大気球太陽観測実験 SUNRISE-3
nn

口径1m(ひのでの２倍) の光学太陽望遠鏡
NASA・Long Duration Balloonでスウェー
デンESRANGEからカナダまで大西洋上空の高度約35-37kmを1週間飛翔‒ 紫外線域 (波長 200 ‒ 400 nm)の観測‒ シーイングの無い高解像度・高精度偏光観測n

2009年と2013年に2度観測を実施‒ ドイツ・スペインの撮像装置(UV・可視)を搭載

n

2021年に３度目の飛翔SUNRISE-3を計画‒ 分光能力を強化‒ 近赤外線偏光分光装置SCIP(スキップ)を日本主導で開発

光球・彩層の高解像度・高精度偏光分光データを獲得する
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ2

Why we joined SUNRISE-3
CLASPロケット実験•••

SOLAR-C衛星

紫外線域(Lya 121 nm, Mg II 280 nm)の高精度 (~10-3) 偏光観測 (空間分解能1”,観測時間5 min)First flight in Sep. 2015,
Second flight in Apr. 2019••

衛星搭載用分光器の光学・構造設計
Ø 「ひので」では望遠鏡部を開発
Ø SOLAR-Cでは焦点面装置を作りたい
それに必要な高精度・高信頼性可動機構

SUNRISE-3気球• SOLAR-Cで目指したϕ1mと同等の口径• 比較的短時間で飛ばすことができる
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ

3

SUNRISE-3の焦点面装置
Science instruments
SUSI = SUNRISE UVSpectropolarimeter and Imager
λ= 300 ‒ 408 nm

IMaX+CWSSCIP = SUNRISE Chromospheric
Infrared Spectro-Polarimeter
λ= 770 nm, 850 nm
IMaX+ = upgraded Imaging
Magnetograph eXperiment
λ= 517, 525 nm

SCIP

望遠鏡と箱は
ドイツ

ISLiD

SUSI

Service Units
ISLiD = Image Stabilization andLight Distribution system
CWS = Correlation tracker andWavefront Sensor
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ

4

SCIP (スキップ)

Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter'  m n‒ 「ひので」より高い解像度: 0.2秒角‒ 波長分解能: 1x105‒ 0.2秒角を音波が通過する時間: 15秒

500m!)$"'
%&

n

%&'%)
%&

高空間・時間分解能

高精度偏光観測‒ Ca II 線で ~5 Gの磁場を測定:0.03%(1σ)の偏光度測定

%& #(!)$"'

2018/2/25

1000mm

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

SUNRISEゴンドラ(米国)5装置設計の変遷
Ca II 854.2 nm(g=1.10)

848

849

850

853

854

K I 769.9 nm(D1, g=1.33)

771.6

Ca II 849.8 nm(g=1.07)

Fe I 846.8 nm
0 (g=2.5)
847854.7

846.6

250mm

18518521300

0765.51765

K I 766.5nm(D2, g=1.16)

766

767

768769wavelength (nm)770771

2015-2016
設計開始当初mm

772

Mount IF1
Polarization
modulator

Egr cheat lleing

Slit

Slit-jaw lens

850 nmcameraPolarization BS

770 nmcameraCameramirrorCa II 854.2nm

MoLaser tracker
targets

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Slit-jaw
cameraCollimator
mirrorDichroic BS
Blocking filter

Mount IF2

PFI box of SUNRISE

IF3

500mm

Slit-jaw
filter

1000mmunt

Connector
panel

Optical bench

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

Na I D1 and D2 589 nm

6SUNRISE-3ゴンドラと指向精度

アメリカ・APLのゴンドラ設計

STO-2における指向制御実績
4時間に渡り<数秒角の安定度を達成•<0.06” (3σ)は装置内の像安定化装置+可動鏡で実限する

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ7

何を明らかにしたいか

恒星大気の中で磁気エネルギーの輸送と散逸がいかになされているのか

科学課題

3Dへ
衝撃波
Alfvén波(1)光球-彩層の3D磁場を
従来は2D
観測

磁気リコネクション

乱流(2)磁気リコネクションを示唆する磁場の不連続構造を彩層で同定(3)彩層への波動伝播と磁場構造の関係
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可視赤外線観測装置技術ワークショップ8光球・彩層モデリング研究
SUNRISE/SCIPで見える直線偏光

磁気エネルギーの輸送・散逸プロセスをMHD数値計算で再現できつつある

彩層

0.06
0.05
0.04

1秒角

0.03
0.02

‒ Alfvén波の伝播と非線形モード変換‒ ジェットの駆動などCa II 849 nm

0.01

光球

1.00.000.4

Fe I 846 nm

0.30.20.80.6

Iijima et al. (2017)

温度最低層0.40.1

K I 766 nm

0.00.20.0

再現できているように見えるが、観測と直接比較するため‒ 空間解像度の向上 → 観測においついていない‒ 非平衡電離・弱電離プラズマの効果 → 散逸・熱化プロセスに影響

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ

93D磁場観測を実現する鍵

光球・彩層をシームレスにカバーできる2波長帯を偏光分光観測

Ca II

Mg I Mg I Fe I K I

00847

8488491500

彩層

850851852
wavelength (nm)

偏光分光観測の高精度化

855

Fe I Ni I768769
wavelength (nm)770771

Telluric line absorption
765766767

6.64.80Height [km]12.08.4500

31.5

Ca II 854.2 nm

Ca II 849.8 nm

1000

K I 766.4 nm
K I 769.8 nm

β=1500
0772

10.2

1500

光球

854KI

1000

光球

彩層

853

Si I

80.75

β=1

Si I 768.0 nm

Fe I 846.8 nm

4Temperature [kK]n

Fe I Fe I

1Height [km]

多数のスペクトル線を同時に観測

Ca II

12X [103 km]

0ContinuumBz [kG]

Fe I
1-0.75-1.516‒ 弱い彩層磁場の測定のため0.03%の精度が必要 (ref. 「ひので」0.1% )‒ 「ひので」衛星と「CLASP」ロケット実験で蓄積された技術を発展‒ 大口径化 (「ひので」50 cm →SUNRISE 1 m)

2018/2/25

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

10

SCIPの光学構造開発
SCIP光学・構造設計 (NAOJ: 都築, 浦口, 原)
波長板 (FM)

波長・温度依存性の小さい水晶・サファイア波長板
観測波長帯で低反射率(~0.1%) ARコーティング' Retardationmm
!)$"'

500

温度変化でレンズホルダがレンズに与える応力を評価、ユニット設計を検証  %&

レンズユニット設計%&'%)

Wavelength

%&

偏光ビームスプリッタ (FM製作中)%&

高消光比 1:400、高効率 >98%
高波面精度, 直交成分を同一焦点に結像 #(!)$"'

1000mm

エシェル回折格子 (FM)
850 nm
帯

帯域内高効率>95%
帯域外高阻止率<0.01%
10010(%)

高効率・偏光依存の小さい回折格子をドイツと共同開発

狭帯域フィルター (FM)11E-1

770 nm帯

2018/2/25

1E-2
1E-3
1E-4

820

840
860
wavelength (nm)

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

880

11構造設計・熱設計
nn

要求: 20±10℃の運用温度範囲で性能維持
構造数学モデルで運用温度範囲における熱変形を予想、耐衝撃性を検証 (NAOJ: 浦口)

FEM analysis of the SCP structuren

熱数学モデルでカメラの冷却に必要な放熱面を設計、低温時に必要なヒーター容量を決定(NAOJ田村, スペインと共同)
Radiator

Nominal
(0G)

+10℃
Y-1G

Y-1G

-10℃
Y-1G

Radiator size: ~0.15 m2
Temperature [°C]

Temperature [°C]

Thermal mathmodel of thecamera

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Simulating power
dissipation in thecameras

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

12

SCIPの光学構造開発<1ppm/K

CFRPサンドイッチパネルのCTEをひずみゲージで想定
脱水変形量の測定 -> 継続中

鏡をフレクシャに接着する方式を採用
小型平面ミラーを用いて形状変化の測定

2018/2/25

納入された光学ベンチパネル (2019/2/22)

可視赤外線観測装置技術ワークショップ13

偏光分光観測システム
nn

波長板回転駆動機構 (NAOJ: 久保, ISAS: 川畑)‒‒

SOLAR-C向け要素技術開発、CLASPロケット実験で飛翔実証
高速化（CLASP4.8秒/回転→SCIP:0.5秒/回転）・高精度回転制御ソフト実装ほぼ完了‒‒‒

次世代衛星向け要素技術開発→フライト品への発展
静電容量センサーと電磁アクチュエータで鏡のチルト制御
ハードウェアの製作完了、制御ソフトウェアの開発・試験中

スキャンミラー駆動機構 (ISAS: 大場, 清水)

ロジックは日本側で設計

SCIP制御エレキ(スペイン担当)
撮像同期信号 (32/sec)

偏光変調装置2018/2/25

駆動信号

撮像信号

画像

カメラ

2kx2k
裏面照射
CMOS
48fps

スキャンミラー機構

日本担当

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

スペイン担当14

回転波長板駆動機構 (偏光変調装置)‒‒

nn

CLASPより高速回転(4.8sec/rot -> 0.5sec/rot)でも一様回転を維持、低擾乱
波長板: 水晶とサファイアの2枚構成‒‒n

SOLAR-C向け技術開発
CLASPロケット実験(Lyα偏光観測)で飛翔実証 (2015,2019[予定])

波長&温度依存性が十分小さいことを実証
低反射率ARコートでゴーストによる偏光精度劣化を抑制

Measurement of the test waveplate140
retardation (deg)スペース高精度偏光測定のための回転駆動機構

Quartz + Sapphire





130
120
110
500

Temperature: 7℃37℃
600

700 800 900 1000 1100
wavelength (nm)ドイツ担当のUV偏光観測装置にも同じ駆動機構を提供Rot. uniformity
Angle error (deg)n

CLASP resultFrequency

15スキャンミラー機構n

静電容量センサーと電磁アクチュ
エータで鏡のチルト制御

mirrorflexural pivotxy

metal plate‒ 次世代衛星向け要素技術開発→フライト品への発展n

性能‒ 安定度: <1” (3σ)要求、実績<0.3”(3σ)(~0.01”の指向安定度に相当)‒ レンジ: ±1000” (±35”に相当)‒ 1ステップ: 2.6” @ 1/16 sec<20 msecで安定

SMM-TM

Electro-magnetic
actuator x4

Capacitancesensor x2

SMM-IF(静電容量センサーのアンプ)

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スケジュール
FY
1516

CLASP1


NASA


1718

8787[TX^$D
<"!

87;.87
3:FSUNRISE-3

52, M\QYE)(MPS/IAA/APL) 

&!@$D <"!
NLW\VY^"!

22

CLASP2K[L 0 :F:F

@MSFC

62020
QJOI>? UYJPM\QYE)
 (APL)!!

87[TX^SCIPE)
()%E)BGHI/F*

87;.87;.
87

SUNRISE-3%E)BGH
0:F
_`6
3:F
' :F
SUSI("!]QYJSE)QYJSFM
E)

87

8721@WSMR_`6/+]9
=#:F

420

11 , I>?

]!@!@-19"!FM/+]9=#:FAC 0:F :F@QJO @LZR

3:F' :FQJOI1

17

SUNRISE-3における国際協力
n

日本の計画

‒ ISAS/JAXA太陽観測小規模プログラム (FY2017-21)n

CLASP2ロケット実験と共同‒ 科研費基盤(S) (FY2018-22, ２回目で採択)「気球太陽望遠鏡による精密偏光観測: 恒星大気における磁気エネ
ルギー変換の現場に迫る」
n

欧州は昨年の段階で予算獲得済み‒ ドイツ・ MPS：マックス・プランク研究所で全体の予算獲得‒ スペイン IAA-CSIC: 2017-18に概念設計、2019以降FM開発n

米国‒ JHU-APL: ゴンドラ開発予算をNASAで獲得 (２回目で採択)

2021年のフライトを目指して、国際協力も着実に進んでいる
2018/2/25

可視赤外線観測装置技術ワークショップ

18

SUNRISE-3における国際協力nn

２歩下がって3歩進むの繰り返し
光学・構造‒ 上流光学系を設計してみたらケラれることが分かったら、入射光位置をずらしたい (ドイツ→日本)‒ マウントポイント位置、前と違うんだけど、、、 (日本→ドイツ)n熱‒ 他の機器の発熱量・熱モデルが無いと決められないと言われ遅れ(スペイン)n

電気‒ 文書内でコネクタのオス・メスが矛盾している (日本↔スペイン)‒ 日本側の駆動機構のエミュレータを用意したけど、スペイン側でつなぐものがまだできていないn

マネージメント‒ 文書管理、スケジュール管理、協定(契約)などなど

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ

19

まとめ
n

国際大気球太陽観測実験SUNRISE-3‒ 2021年フライトを目指して国際協力で進めている‒ 高解像度・高精度な彩層磁場データを手にする絶好のチャンス‒ 「ひので」で世界のトップに立ったスペース偏光観測技術を発展させ、さらにCLASPやSOLAR-Cに向けて開発された技術を最大限活用し、将来の高精度偏光観測につなげるn

大型プロジェクト・人工衛星に相当する規模の装置開発を比較的小さいグループでやるのはなかなか大変。。。

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可視赤外線観測装置技術ワークショップ

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