宇宙望遠鏡を用いた宇宙の明るさ測定

津村耕司
東北大学 学際科学フロンティア研究所

本日のメニュー	
イントロn 赤外線天文衛星「あかり」
n• ISAS/JAXAウェブリリース (2013年12月27日)• 何もない空(そら)を光らせるもの：「あかり」が空の赤外線成分の分離に成功• http://www.ir.isas.jaxa.jp/ASTRO-F/Outreach/results/PR131227/
pr131227.html
n

観測ロケット実験CIBER• ISAS/JAXAプレスリリース (2014年11月7日)• 宇宙の遠方から未知の光が届いている？~宇宙赤外線背景放射の大きな「ゆらぎ」を発見~• http://www.isas.jaxa.jp/j/topics/topics/2014/1107_yuragi.shtmln

ガリレオ衛星食掩蔽法• 国立天文台プレスリリース (2014年6月18日)• ガリレオ衛星が「月食」中に謎の発光？ すばる望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡で観測• http://subarutelescope.org/Pressrelease/2014/06/18/j_index.htmln

将来計画(時間があれば)

1．イントロダクション	天文学者が明らかにしたいこと	
宇宙はどのように誕生したのか？
n 誕生直後の宇宙はどのようなものだったのか？
n 誕生から、宇宙はどのように進化して現在に至ったのか？
n その中でどのように星や銀河が誕生したのか？
n そして、どのように生命が誕生したのか？
n 我々は宇宙で一人ぼっちなのか？	
n

ここはどこ？ わたしはだーれ？	

自分の研究テーマ	
n

宇宙の果て ＝ 宇宙の始まり• 光の速さは有限• 1億光年かなたの宇宙は、1億年前の姿• 遠くを見ること ＝ 過去を見ること• 天文観測は一種のタイムマシン！

n

赤外線を用いた観測• 宇宙からの観測(気球・観測ロケット・人工衛星)• 冷却望遠鏡

宇宙で最初に誕生した星からの光を捉えたい！	

宇宙の誕生と進化	
宇宙マイクロ波背景放射	
光で観測可能な最遠の宇宙	
宇宙誕生からわずか40万年後	
Big Bangの残り火	
この時点では星や銀河はない	

ビックバン	
宇宙の暗黒時代	
現在の技術では観測不可能	
この時代に宇宙最初の星形成	
ここを攻めるのが現代天文学のフロンティア！	

現在到達している最遠の銀河	
宇宙誕生から約5億年	
この時点では既に数多くの星や銀河	

現在	時間	

より暗い天体を見るためには？	
n

大きな望遠鏡を使う!
• すばる望遠鏡（口径8.2m）＠ハワイ• Thirty Meter Telescope (TMT)
2021年稼動目標(月面の蛍が見える)

Shibuya et al. 2012	

ただし、観測できるのは遠方の極めて明るい特異な天体のみ	「宇宙の明るさ」測定	
n「宇宙の明るさ(背景放射)」 を観測して、宇宙全体の「光の量」を決める	
宇宙全体の光の量 ＝手前の既知の天体からの光•＋ まだ観測できていない暗い天体からの光	
大望遠鏡を用いても見えないような天体からの「光の足し合わせ」を観測している事になる	

太陽系からの光 銀河系(天の川) 遠方宇宙からの光	(黄道光)	
からの光	
大型望遠鏡でも見えない暗い ハレアカラ山頂の	  天体からの光	 黄道光	地球	

点源観測と面輝度観測	
一見、何もないところにも、より遠方の天体からの光は届いている！
à 面輝度として観測	
精度の良い面輝度
観測は小型の望遠鏡でも実現可能	

観測にとっての障害① 地球大気	n

空気が邪魔①シーイング	①空気による像のふらつき(シーイング)②空気自身の明るさ (特に赤外線)③空気による光の吸収 (特に赤外線)→ 大気圏外から観測！！
②大気光		

③大気の吸収	観測にとっての障害② 黄道光	n

大気圏外からの観測でも、次は「太陽系からの明るさ=黄道光」が邪魔になる• 太陽系内に漂うダスト(惑星間塵)が太陽光を散乱して光っている
大気中から採取された惑星間ダスト	  (画像：NASA)	
赤外線天文衛星「あかり」による中間赤外線での	  空の明るさ	

ハレアカラ山頂の黄道光	

2．赤外線天文衛星「あかり」	

Tsumura et al. 2013, PASJ 65, 119:黄道光(ZL)、データリダクションPASJ 65, 120:銀河光(DGL)
PASJ 65, 121:背景放射(EBL)
赤外線天文衛星あかりちゃん
http://www.ir.isas.jaxa.jp/AKARI/Outreach/manga/
AKARIchan.html	

赤外線天文衛星「あかり」(ASTRO-F)n

日本初の赤外線天文衛星• 2006年2月22日打上げ• M-V-8号機＠内之浦• 2011年11月24日停波n

有効径68.5cmの冷却望遠鏡• 液体ヘリウム ＋ 冷凍機 (Phase-1,2)• 液体ヘリウム枯渇後(2007年8月)は冷凍機のみ (Phase-3)n

メインミッション：全天サーベイ• ポインティング観測も可能

n

2種類の観測装置• Far-Infrared Spectrometer (FIS)• InfraRed Camera (IRC)n

太陽同期極軌道• 太陽・地球からの熱入力を最小化• North Ecliptic Pole (NEP)を定期的に観測	得られたスペクトルと観測天域の分布	
広い空にわたる空のスペクトルデータを取得
SKY = ZL + DGL + EBL
空間相関を利用して前景光分離
黄道光 (ZL) à 黄緯依存性
銀河光(DGL) à 銀緯依存性
背景光(EBL) à 一様分布
拡散光分光カタログの公開
http://www.ir.isas.jaxa.jp/AKARI/Archive/
Catalogues/IRC_diffuse_spec/
天域	

データ数	

① 「あかり」北黄極(NEP)領域	

80	

② Spitzer dark 領域	

38	

③ 銀緯５度以上の領域(①と②を除く)	

56	

④ 銀河面(-5度<銀緯<５度)領域	

35	

⑤ 銀緯-5度以下の領域	

69	

IRC 9μm(名大提供)	

●	  AKARI	  (Tsumura+	  13)	  ●	  IRTS	  (Matsumoto+	  05)	  ■	  DIRBE	  (Cambresy+	  01)	  □	  DIRBE-­‐2MASS	  (Levenson+	  07)	  ◆	  HST	  (Bernstein+	  07)	  ◆	  Pioneer	  (Matsuoka+	  10)	  ー 前景銀河積算	  	  	  ●	  AKARI	  (Tsumura+	  13)	  ●	  IRTS	  (Matsumoto+	  05)	  既知の銀河では説明できない輝度	  ■	  DIRBE	  (Cambresy+	  01)	  未知の赤外線光源が宇宙に存在！	
□	  DIRBE-­‐2MASS	  (Levenson+	  07)	  ◆	  HST	  (Bernstein+	  07)	  ◆	  Pioneer	  (Matsuoka+	  10)	  ー 前景銀河積算	  	  	  観測されたCIB超過	

既知の前景銀河の	  積算による輝度	3．ロケット観測実験CIBER	CIBER	  4th	  ﬂight	  (2013/Jun./5th) @Wallops	  Flight	  Facility,	  US	  写真：新井俊明(ISAS/JAXA)	

Cosmic Infrared Background ExpeRiment(CIBER)	
日米韓共同研究チーム（約10名）
NASAのロケットプログラム
４度の打上げ・観測に成功！
第１回実験 2009年2月
第２回実験 2010年7月
第３回実験 2012年3月
第４回実験 2013年6月		

http://www.ir.isas.jaxa.jp/~matsuura/darkage/index_da.html We	  Are	  Rocket	  boys	  !

ロケット実験の概要 (第1-3回目の場合)	
0.45m

最高高度: 330km
ペイロード	

1.2m

CIBER
高度200km以上で観測	

観測時間: 400sec

15m
Black Brant VC MK1

データ送信速度:30Mbps
指向安定性:＜２arcsec

回収	
Terrier MK70

打上場: White Sands Missile RangeWide-Field Imagers

1.0/1.6 um でのCIBゆらぎ観測	

Narrow Band Spectrometer (NBS)
フラウンホーファー線観測による黄道光の絶対値測定	Low Resolution Spectrometer (LRS)
0.7-2.2 umでのCIB分光観測	

CIBERの観測装置	液体窒素で装置全体を~80K(-190℃)まで冷却することにより，装置起因の赤外線をなくす．
n 地上では真空槽内部に収納され，上空でふた開け，観測開始．
nロケット打上げ準備	

打上げ直前の様子	
Launcherに取り付け時

打ち上げ直前

ロケット打上げ	Flight à Recovery	  Bock36.226

CIBERの科学成果	
n

ロケット実験CIBERにより宇宙赤外線背景放射の大きな「ゆらぎ=まだら模様」を捉えた．

画像解析の結果，系外銀河のハロー領域に，これまでの予想の約10倍も多い星々が存在することを示した．
n 2014年11月7月付けのScienceに掲載
n 記者会見&プレスリリース	

JAXA,	  Tohoku	  Univ.,	  NASA	  JPL/Caltech	n

CIBER赤外線カメラの視野	  =	  ２度	宇宙赤外線背景放射の「まだら模様」の濃淡を示したもの．大角度成分のみを取り出す画像処理を行なっている．
観測波長は1.1マイクロメートル．	

未知の赤外線光源の候補	
現在	
初代星モデル	
宇宙初期に大量の初代星形成	
紫外線放射が赤方偏移して赤外線へ	

138億年前	  50億年前	 130億年前	 (宇宙誕生)	

ハロー星モデル	  銀河のハロー領域に大量の暗い星	  可視光が赤方偏移して赤外線へ	

JAXA	

ハロー星の構造形成シミュレーション	
NASA	  JPL/Caltech	3．ガリレオ衛星食掩蔽法	
Tsumura et al. 2014, Astrophysical Journal 789, 122

Jupiter	  +	  Ganymede	  (JHK)	  Subaru	  IRCS+AO188	  2012/Jul./21	  背景放射観測最大の敵 黄道光	n5AU付近では最大の前景光である黄道光が背景放射以下の輝度に木星からの直接観測！	

n

n

ソーラー電力セイルによる
木星トロヤ群探査機搭載
EXZIT(2020年代後半)

ガリレオ衛星食掩蔽法

ガリレオ衛星食掩蔽法	
黄道光不定性によらないEBL観測	n 木星のガリレオ衛星の食を観測n

イオ: 火山活動• エウロパ• ガニメデ• カリスト•Satellite in eclipse
ZLn

他の衛星系は?
•火星: まだ惑星間塵の中のため不適•

土星以遠：食がまれなため観測不可能

Surrounding sky
ZL+CIB例)すばるでの観測	
IRCS imaging + AO188n 右の図はエウロパの食開始
時の様子
n 木星の陰に入ると急激に暗くなるn 影のエッジの様子も見える(エウロパが半月状に)n 完全に影の中に入った衛星を測光する
nEuropa	  ingress	  	  Subaru	  IRCS+AO188	  (J-­‐band)	  2012/Jul./21	  Europa	  	  Ganymede	  	  観測結果	
•予想に反してガニメデとカリストが木星の影中で明るく観測された–

通常の状態の 10-6 の明るさ–

明るさは一様（全体的に光っている）ハッブルで観測した	  ガニメデ食	1”	ガニメデにおけるオーロラ現象	
すばるで観測した	  McGrath	  et	  al.	  (2013)	
カリスト食	••

高感度のすばる望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡による観測から、初めて発見した新現象研究主目的とは異なる副産物

1”	

すばる望遠鏡
プレスリリース	
2014年6月18日にすばる望遠鏡からプレスリリース・記者会見をしていただいた。
n 日経サイエンス2014年9月号等にも掲載
n

検討した仮説 	
木星大気による屈折（月食でも月が赤く光るのと同じ）•屈折だけを考えると、ガリレオ衛星食はもっと明るくなるはず(観測とあわない)	大気(気体)による屈折	検討した仮説 	
木星大気による屈折••×	

屈折だけを考えると、ガリレオ衛星食はもっと明るくなるはず「雲」による吸収を考える必要がある(ここまでは1980年代の研究で示唆されていた)	
「雲」(固体の微粒子)による吸収	検討した仮説 	
木星大気による屈折••×	

屈折だけを考えると、ガリレオ衛星食はもっと明るくなるはず「雲」による吸収を考える必要がある

より上層大気での 「もや」 による散乱○	(今回の新発見：より上層に存在する「もや」を初めて観測的に示唆)	

より上層の「もや」による散乱	

４．将来のEBL観測EXZIT	  (EXo-­‐Zodiacal	  Infrared	  Telescope)	  	   	   	  	   	  powered	  by	  Solar	  Sail	  	  ~	  惑星探査機による新しい天文学の開拓	  ~	  Z	  JAXA宇宙研宇宙赤外線背景放射観測プロジェクト
http://www.ir.isas.jaxa.jp/~matsuura/darkage/index_da.html
文科省サイエンスカフェ「目指せ木星」
http://www.ustream.tv/recorded/21982305

より良い環境をもとめて	太陽系内のチリが観測の邪魔をしている
惑星探査機を用いてチリのない深宇宙から観測	

まとめ	n

赤外線で「背景放射=宇宙の明るさ」を測定• 大型望遠鏡でさえ見えない暗い天体からの光を、まとめて観測する• 「あかり」やCIBERの観測から、既知の星や銀河では説明できない背景放射を観測à 宇宙の未知の赤外線光源n

最大の邪魔もの(太陽系からの明るさ=黄道光)に邪魔されない観測を検討中• ガリレオ衛星を用いた掩蔽• 惑星探査機を用いて木星軌道からの観測