ガンマ線バーストを用いた
初期宇宙・極限時空探査計画

HiZ-GUNDAM
High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission

HiZ-GUNDAM WG メンバー
主査：米徳大輔 （金沢大学）
発表者：津村耕司 (東京都市大学)

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 (?)

初期宇宙探査

極限時空探査2Time Domain Astronomy & Multi Messenger Astronomy
z=1000z=12z=7z=6z=0.5z=0

BHs as pop-III remnant
Primordial BHs, etc.

・ガンマ線バースト(GRB)
初代星 (Pop-III)
宇宙再電離
重元素合成
・重力波 (Short GRB?)
NS-NS, NS-BH, BH-BH
macronova/r-process
・TeV/PeV ニュートリノ
・SN Shock Breakout
・Tidal Disruption
・Fast Radio Burst
・AGNetc.
・恒星スーパーフレア
・銀河系内突発天体 33

Key Science1: 初期宇宙探査

Larson & Bromm (2001)

138億年z ～20z = 1089
完全電離

z=6z=0

観測可能範囲中性期

重点探査領域( 12 > z > 6 )宇宙再電離期
第一世代星の誕生

完全電離

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

今後の課題

赤方偏移 z > 6 の初期宇宙における・ GRB発生率、星形成率、ブラックホール形成史の探索
・ 宇宙再電離の変遷の探索
・ 低金属環境と化学進化の探索
・ 初代星（Pop-III星・宇宙の一番星） からの GRB の探査

Ｘ線 ＋
近赤外線

2030年代でも、初代星からの放射を検出できるのはガンマ線バーストのみ

4Key Science2: 重力波天文学の推進と極限時空環境の理解
ブラックホールが誕生した瞬間の極限時空周辺での物理現象の理解
連星中性子星の合体 GW170817/GRB170817A
相対論的ジェット

コクーン放射ガンマ線

1.7sec

可視光・赤外線
キロノヴァ
Time since GW trigger (sec)

今後の課題

・ 相対論的ジェットのエネルギー構造
Ｘ線突発天体の特徴を解明、ジェットの存在検証
・ イジェクタの進化とコクーン放射の存在の検証
ジェット à コクーン à キロノヴァのエネルギー変遷
・ キロノヴァの多様性とランタノイド元素量の測定
ランタノイド系列の元素を多く含む赤外線キロノヴァ

Ｘ線 ＋
近赤外線
5

観測の流れ(1) X 線による 突発天体 (GRB /SGRB など) の検出(2) 自律制御で姿勢変更を行い、300秒以内に追観測を開始
可視光・近赤外線望遠鏡で残光・キロノヴァを追観測(3) 「詳細な方向」「測光赤方偏移」「明るさ」を１時間以内にアラート(4) GRB発生から 1.5 時間以内に大型望遠鏡による詳細な分光観測

TAO, すばる, VLT, Keck, Gemini, JWST, E-ELT, GMT, TMT, etc.

ミッション機器:
広視野Ｘ線モニター: 136.3 kg (6 units + 支持構造)
近赤外線望遠鏡 : 35.6 kg
ベースフレーム： 15.5 kg
衛星バス: 約 250 kg
Total: 約 440 kg
HiZ-GUNDAM
打ち上げスケジュール 2030 年頃 (公募型小型５号機)
衛星軌道
太陽同期極軌道 (twilight)
1 deg/sec
姿勢変更速度
約 440 kg
衛星質量> 3 years
ミッション期間
イリジウム SBD, VHF (SVOM地上局)アラート送信方式
684名/32機関 (韓、英、伊、等を含む)
メンバー数

High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission
対角：約1750mm

ミッションペイロード
許容包絡域

W=1000

約1320mm

約 1300 x 1500
広視野Ｘ線モニター・ ロブスターアイ光学系
・ CMOS/pnCCD 検出器
近赤外線望遠鏡
・ 軸外し光学系
・ 4バンド同時測光
小型科学衛星標準バスを想定したコンフィギュレーション図HiZ-GUNDAM衛星主要諸元
パラメータ
想定打上げ時期
衛星軌道
衛星質量
ミッション期間

2030頃
太陽同期極軌道 (昼夜境界線)、高度 600 km 程度
約 440 kg (ミッション機器 187.4 kg, 衛星バス 250 kg を想定)
> 3 years

7広視野Ｘ線モニター

ロブスターアイ光学系 (Micro Pore Optics)
6μm

20μm

CMOS/pnCCD 制御基板BBM
Items
Energy band (keV)
Telescope type:Module aperture size
Number of module
Field of View
Focal length
Focal plane detectors
Number of detectors
Sensitivity
Position Accuracy

Parameters
0.4 – 4 keV
Lobster Eye Optics
192 x 192 mm224> 1.0 str (total)
300 mmCMOS/pnCCD array24~ 1e-10 (erg/cm2/s)
For 100 sec~ 3 arcmin

大型CMOS 検出器

60 x 60 mm2・ X線イベント抽出／フレーム撮像 (小型 CMOS)
・ 画素ビニング処理
・ 小型 CMOS の放射線耐性試験
8・ 大型CMOS の性能評価

近赤外線望遠鏡
・ 軸外し光学系＋フィールドストップによる迷光除去・ 0.5 – 2.5 μm を4バンドに分割し、4バンド同時測光・ オールアルミで熱収縮を相似変形として吸収
常温アラインメント à 200 K 低温環境 で結像性能を保つ
・ 光学系案、光学素子／検出器の配置案
・ 冷凍機を含めた熱検討を実施中
Items
Telescope type
Aperture size
Focal length
F numberField of view
FoV per pixel
Image size
Integration time
Observation
Band (μm)
Band width
Limiting
Magnitude mag (AB)Focal detector

Parameters
Three Mirror Anastigmat (TMA)
30 cm
183.5 cm
F6.1
34 arcmin ×34 arcmin
2 acsec × 2 arcsec
3 pixel × 3 pixel
10 minutes (2 minutes x 5 frames)
0.5−0.9

0.9−1.5

1.5−2.0

2.0−2.5

0.4 µm

0.6 µm

0.5 µm

0.5 µm

21.421.3

20.9

20.7

HyViSiHgCdTeHgCdTeHgCdTe9検出期待値
Swift/BAT

2% of all sky

HiZ-GUNDAM
12% of all sky

追観測の検出感度
近赤外線帯の検出限界 (magnitude)

検出感度 (erg/cm2/s)

Ｘ線突発天体の検出感度

Too late
Observation start

1日

突発天体発見からの時間 (秒)観測時間スケール (秒)X-ray
GRB (6<z<12) best
GW/SGRB prompt
GW/SGRB E.E.
GRB/SGRB
Low-Luminosity GRB
X-Ray Flashevent/yr
26~8~8~700>550

X-ray
Tidal Disruption
SN Shock Breakout
Stellar Flare
Direct collapse BH
Accretion inducedcollapse

event/yr
60>5manya few~10Near Infrared
afterglow (6<z<12) best
macronova
Supernovae
afterglow of
GRB/SGRB/XRF
Variable stars

event/yr
13~8 + α40
many
many

Swift 時代： 赤方偏移 z > 6 の GRB は約 0.5 event/yr à HiZ-GUNDAM は約 20〜30倍10良質な分光スペクトルは 0.1 event/yr
à HiZ-GUNDAM は約 100倍スケジュール・マイルストーン

MDR: ミッション要求審査
SRR: システム要求審査
RFP: Request for Proposal

SDR: システム定義審査
PDR: 基本設計審査
CDR: 詳細設計審査

ダウンセレクション
プリプロ候補
移行審査▼RFP
MDR SRR SDR

PDR

CDR

打上げ2030頃▼ ▼ ▼▼▼▼▼ ▼年度

2021 – 2023

2024

2025

2026 – 2027

2028 - 2030

フェーズ

PrePhase-A2

Phase A

Phase B

Phase C

Phase D

基本設計

詳細設計

FM

衛星バスシステム
衛星バスCPU

担当候補メーカーとの調整

EM検証用設計

EM検証用製造・試験

広視野Ｘ線モニター

要素開発・検証（BBM）

EM設計

EM製造・試験

PFM製造

近赤外線望遠鏡

要素開発・検証（BBM）

EM設計

EM製造・試験

PFM製造

MPU

要素開発・検証

EM設計

EM製造・試験

PFM製造

アラートシステム

要素開発・検証

EM設計

EM製造・試験

PFM製造

BBM

EMFM

現在地

・ 2021年末にプリプロジェクト移行審査に合格
・ 2022年度より複数のメーカーを交えて本格的な概念検討を開始
・ 2022年12月頃にダウンセレクション

観測装置仕様の改訂の検討• 今年末のダウンセレクションに勝ち抜くために、コストキャップにおさめることが絶対条件• 4月以降の検討で、コスト推定の精度を高めていく• この際に、場合によっては観測装置の仕様の変更を検討せねばならない可能性もある。
• 具体的には以下の仕様変更の可能性を検討中– 広視野X線モニター ： 6台 à 4台
• 視野が2/3になる à 検出期待値が2/3になる– 赤外線望遠鏡 : 温度要求の緩和 (200K à 270K)• 観測波長域が <2.5 µm à <2.1 µm• 真夜中方向を向けるようになるというメリットもある12

赤外線望遠鏡の開発課題• 熱構造設計の詳細化– 望遠鏡の温度要求の確定 à 観測波長範囲の確定– 熱構造の成立性の確認• 常温打ち上げ・上空で冷却• アサーマルな光学設計とその実現性• 断熱支持構造– 冷凍機搭載の有無• 検出器の選択– ベースラインはTIS社のH1RG– JASMINEで開発中のInGaAsが使える？
13

要求温度緩和に伴う波長分割の一例
0.5

0.9

1.5

2.0

Ch.1

Ch.2

Ch.3

Ch.4

HyVISi

H1RG (1.7µm)
or InGaAs

H1RG (2.5µm)

H1RG (2.5µm)

Lyman-alphaz = 6.4

0.50.9HyVISi

Lyman-alpha

1.3
Ch.2

Ch.1

z = 11.3

1.7z = 9.7

2.1
Ch.4

H1RG (1.7µm) H1RG (1.7µm)
or InGaAs
or InGaAs(?)

z = 6.4

z = 15.4

Ch.3

現状案(200K)z = 19.6

波長 [µm]改訂案(270K)

H1RG (2.5µm)

z = 13.0

波長 [µm]2.5z = 16.3

検出器選択への影響
望遠鏡温度への影響

HiZ-GUNDAM 計画まとめ・ ガンマ線バーストを用いた「初期宇宙探査」と「極限時空探査」を推進する計画
・ 2018年に公募型小型衛星としてのミッションコンセプト案が採択され、2021年末にプリプロジェクト移行が認められた2030年頃の打上げを目指す（公募型小型５号機）
・ 赤方偏移 z > 9 の GRB を 約 26 event/yr の頻度で検出し、星形成、宇宙再電離、重元素合成などの初期宇宙観測のフロンティアを開拓
・ 重力波源の観測からジェット、コクーン、キロノヴァのエネルギー変遷やランタノイドにおよぶ超銃元素合成を理解し、新たに誕生したブラックホール極限時空環境の物理を探求する
Wide Field X-ray Monitor

Near Infrared Telescope

Items
Energy band (keV)
Field of View
Sensitivity

Items
Aperture size
Field of viewIntegration time
Observation Band (μm)
Limiting Magnitude (AB)
10 min exposure, S/N=10Position Accuracy
Angular accuracy

Parameters
0.4 – 4 keV~ 1.2 str (6 units)
1e-10 (erg/cm2/s)
For 100 sec exposure
3 arcmin~ 60 arcsec

Parameters
30 cm
34 arcmin ×34 arcmin
10 minutes (2 minutes x 5 frames)
0.5−0.9 0.9−1.5 1.5−2.0 2.0−2.5
21.4

21.3

20.9

1520.7