NASA 6m紫外線可視近赤外線宇宙望遠鏡への参加
LUVOIR
Takahiro Sumi (Osaka U.)

Credit:NASAHabEx
Motohide Tamura (Tokyo/ABC)

住 貴宏（大阪大学）
LUVOIR/HabEx検討会
2022/9/20 2022年度光赤天連シンポジウム「2030年代の天文学と光赤外地上・スペース計画: 日本の戦略」＠online

Habitable Exoplanet Observatory - HabExl ハビタブル系外惑星 & 系外生命探査
l 広範な一般宇宙物理
l 口径 4m(1枚鏡)軸はずし、
l 0.4µm回折限界スペース望遠鏡
l 内部コロナグラフとスターシェード（SS f52m,76600km）
l 5年＋5年

Motohide Tamura (Tokyo/ABC)

Large UV/Optical/Infrared Surveyor - LUVOIRl ハビタブル系外惑星 & 系外生命探査
l 広範な一般宇宙物理

Takahiro Sumi (Osaka U.)l Segmented, deployable
far FUV/optical/NIR telescope (100 nm to 25006 nm)
The Large UV/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR)l Ultra-stable to enable high performance coronagraphyl Serviceable & upgradable (25 year lifetime goal for non-serviceable comp.)
LUVOIR-A
15m (~0.08arcsec)
On-axisThe Large UV/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR)
270K(milli-Kelvin precision)
4 instruments
LUVOIR-B
8m (~0.16arcsec)
Off-axis
3 instruments

7Figure 4: The LUVOIR-A observatory, with a 15-m diameter on-axis primary mirror and four
instruments. Deployment and pointing animation at https://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/design/.
Credit: A. Jones (NASA GSFC)•Telescope optical designs to alleviate polarization effects that can degrade
coronagraph contrast (validated by analysis; Will & Fienup 2019, submitted)•A sunshade that is larger but simpler than the JWST sunshield (three layers insteadof JWST’s five, relaxed requirements on layer positioning after deployment) 3•

A field-of-regard that covers most of the sky (LUVOIR can point to within 45° of theSun),5:greatly
enhancingtarget withof opportunity,
exoplanet,and solar
FigureThe LUVOIR-B
observatory,
an 8-m diameter
off-axis primary
mirror systemand threeinstruments.
Deploymentandpointinganimation
athttps://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/design/.
observations•Credit: A. Jones (NASA GSFC)

Moving target capability with tracking speed of 60 mas/sec (2x faster than JWST)Decadal Survey Recommendation
Worlds and Suns in Context
Priority Area: Pathways to Habitable Planets

Report cover goes here

searching for signatures of lifel Implementing the Next Great Observatories• Great Observatories Mission and Technology Maturation Program(GOMTMP):
フロントローディングで技術実証
provide early investment in the development of multiple mission concepts
to lower the risks and costs of projects before they become too complex,large, and costly. By the end of 2020 decade, (~six years), ($800M)審査を経て本ミッションを開始• The First Mission to this program isLarge Infrared/Optical/Ultraviolet (IR/O/UV) Space Telescope
off-axis inscribed diameter 6-m, at first half of 2040’s (11B$)
to search for biosignatures from ~25 habitable zone planets

6m Large Infrared/Optical/Ultraviolet (IR/O/UV) Space Telescope
Exo-Earth Yield vs telescope diameter

25candidates@6m

Off-axis
On-axisassuming ExoPAG SAG13 value (0.24&".'%!".$% )A 5% and 10% constraint on the frequency of Earth-like planets by LUVOIR-A and -B, respectively.
(8 planets by HabEx gives 30% constraint on frequency of Earth-like planets.)

LUVEx?

Schedule
We are here
Before end of 2020 decade

LUVEx

Early 2040 decade

Lynx / Origins
Start of LUVEx
maturation
5 years later
programAstro2030

6Habitable exoplanets & biosignatures（自然科学における人類最大のテーマの一つ）

l地球の様な環境の惑星の頻度ー＞高空間分解能ー＞大口径が必要

25pc以内の数百個の星

l生命痕跡探査（太陽型星回りの地球型）:反射光の直接分光で惑星表層大気測定
ECLIPS on LUVOIR-A：
コロナグラフ装置
直接撮像・分光80 masSolar System at
Distance = 12.5 pc
Dtelescope = 15-m
R = 150
Time = 60 hrs per band

30.5 mag

Inner working angle~4λ/DCredit: T. Robinson / G. Arney7

8

宇宙初期の、最小の構造体を分解し、銀河の形成過程を解明HDI
014130.1

12111090.5871654233261Redshift

Time [Gyr]10log (Stellar Mass)

9876

遠方の最小銀河 (<104M◉ )を検出する、空間分解能(<200pc)、感度が必要

ELT
JWST

5

LUVOIR-B

4

LUVOIR-A

3

マイクロシャッターによる高空間分解能、多天体可視UV分光
近傍銀河で、星団(pc)スケールでホットガスのインフロー、アウトフロー、 Radiative transferを観測
そのサイクルと形成過程を解明• 空間分解能：0.07x0.14 arcsec<100pc @ z < 0.1 (400 Mpc)
<1kpc @ all redshifts.
• z<3以下（宇宙誕生から８０％の時間、11-12 Gyr）において、様々な階層で、物質(バリオン)の量/循環、宇宙再電離を解明
500 ≤ R ≤ 120,000• 遠方quasorのUV吸収線でIGM,CGMのバリオン量を測定(JWSTより近傍)

LUMOS• 近傍銀河の星形成領域で、物質の温度、密度、速度、金属量をマップでき、構造形成史を解明4x420x840= 140万個

太陽系内氷衛星の生命居住可能性
探査機なみの高空間分解能で氷衛星内部海から噴き出るプルーム（水柱）をモニター
LUMOS
強度、頻度を求め、生命居住可能性を検討
HST

Europa in far-UV Lyman-𝛼 emission

Roth et al. (2014)
HSTによる木星の衛星エウロパのプルーム

LUVOIR-B

LUVOIR-A

Input model: G. Ballester10

– 29 –

Throughput on sky
Angular separation (λ/D)

日本の貢献案（予算）420-2-4l多天体高安定高分散分光器: (100億円)超小型等で実証
starlセグメント鏡回折限界コロナグラフ:（６０億円）
lコロナグラフ光学系コンポーネント：Roman参加の実経験を活かす。
l Baselineマスク (Roman用の基盤製作中)
l 独自コロナグラフ（提案は20年前から）
l 偏光器：日本は40年間以上継続的に光赤外偏光器を製作してきた（Romanの偏光素子製作中）l 偏光補償光学系：Romanでの設計経験あり。
（数億円）

Fig. 7.— Peak throughput of the fourth-order new coronagraph at o↵-axis angle (✏ = 2).
The lower panel indicates the cross section along the red dashed line (x = y) in the upperpanel; the lower left and right panels are shown in linear and logarithm. The e↵ect of theconstant factor C 4 (⇡ 0.25) is included. The e↵ect of the pupil function (shown in Figure 6)
on the throughput is not considered.

l紫外線検出器,コーティング：ひさき衛星。WSO-UVの実績（４５億円)(LAPYUTAと共同開発)

l 地上局 : L2, Ka-band, (Romanで整備) （運営費5億円）
合計210億円程度 （GOMTMP期間中(2029年まで)に約20億円)
期間中目標：技術成熟度をTRL6+/-に上げ、ミッションコンセプトに組込むLUVEX(1.2兆円)の1/50以下でもキー技術での旗艦ミッション参加が重要

宙の加速膨張を直接多天体高安定高分散分光器測できるか︖
Multi-object high-dispersion densified pupil
日本の貢献案(e.g., Roeb 1998)

領域(1.5-2μ)での、大気測定、生命探査
宇宙の加速膨張史の直接観測
IQUASlcatalog(Flesch 2021)
予想される誤差 (cm/s)

10010

1

DEC (degree)

O (B<19mag)分布

z =2.
ショ 9のQSO
ット
ノイズ
z =2.4 のショQ
ッ ト SO
ノイズ
波⻑⽅向の補正誤差: B<14mag

110010
各Phaseでの積分時間（day）

Optical design

320 – 670 nm

Resolving power> 10,000 (depending on science case)Stability~ a few ppm (optics only)# of field-of-views~ 10
様々なz（z~ 1.5 - 4）でのRV uncertainty~ a few cm/s (depending on science case)
中性⽔素ガスの後退速度

系統誤差
0.1

Wavelength range

ハッブルパラメータ（km/s/Mpc）

UVOIR+ HabEx (LUVEx)においてspectrograph+ a new line-of-sight monitor
径6.5mで数⼗⽇で数cm/sに理想的には到達l M型星周りのノントランジットハビタブル惑星の赤外線観測との併⽤観測は可能︖

Matsuo et al. submitted to AAS

本研究Directly
trace Hubbleparameters
観測可能な領域at high redshifts !
⾚⽅偏移（z）

10年の時間間隔から後退速度の変化量（加速度）を導出

セグメント鏡回折限界コロナグラフ
30パーセク離れた軌道半径1天文単位の惑星⇔口径∼5m, 波長∼ 750𝑛𝑚での回折限界角セグメント鏡回折限界
4次狭帯域コロナグラフ

高波長帯域化のコンセプト検討
Itoh & Matsuo 2020

ピーク透過率$%IWA~ &Contrast∼ 10'()
要素焦点面マスクの単色光実験(2022天文学会秋季年会で経過報告)- 二重コロナグラフ(Itoh & Matsuo 2022)
広帯域光によるリークに再度コロナグラフを適用- 分光コロナグラフ(Matsuo, Itoh, and Ikeda 2021)
分光スペクトルの波長要素ごとに最適なマスクを適用
広帯域コロナグラフマスクの実現に向けた同心型分光器の性能測定(2022天文学会秋季年会で報告)

Roman宇宙望遠鏡コロナグラフ用の光学素子（マスク基板・偏光素子）において，NASAへの貢献実績あり高コントラスト観測技術• フォトニック結晶マスク• 惑星分光観測のための多層広帯域マスク開発中• 斜入射に強い6次マスク開発中• 高コントラスト観測技術の開発拠点• e.g., FACET, EXIST構築（@北海道大）• 各種コロナグラフ＆ダークホール制御試験••

Murakami et al. (2020), Proc. SPIE, 11443, 114432M.
Yoneta et al. (2022), Proc. SPIE, in press.

ç 試作 6 次位相マスクと，単一波長コロナグラフ試験の初期結果
米田他，日本天文学会2022年秋季
年会V225a
西川他，日本天文学会2022年秋季
年会V227b• 複雑なLUVOIR瞳に最適化した瞳アポダイザ• 焦点面マスクコロナグラフの性能を向上させる• 今後： 射入射に強い設計を目指す

高コントラスト技術開発施設 ”FACET”

ç LUVOIR-A & -B 用に設計した瞳アポダイ
ザ Nishikawa et al. (2020), Proc. SPIE, 11447,114474T.

è （上）テストベッドFACET外観
è （下）ダークホール制御試験の例
Yoneta et al. (2022), Astron. J., 163, 112.

ダークホール制御前制御後

紫外線観測装置の開発

2. 大型化: MCPアレイ

狭縁3×3 MCPアレイ（間隔6.5mm）

大型ファネルMCP

1. 高感度化：ファネル型MCP検出器
53 mm×53 mm<LUVOIR要求:
200 x 200 mm>□70 x 70ファネル
MCPを用いた狭縁
3×3MCPアレイ検出器で要求の達成を目指す

3. 広ダイナミックレンジ化・高解像度化: CMOS読み出し
微細加工技術で開口率を向上

ÏÞMŌPÞÖ ÑŅŅÒŃÒÑŌŃŘ
Quantum
efficiency

0.5
0.4
0.3~2倍の効率向上
ファネル型

0.2

ĞÞŌŌÑÕǼÌFĨ
Funnel-MCP ĂŒMÖŐÕÑ ÁĈÅĢÒŒMÔÒC
ĜĴFĜĜG
Hisaki/EXCEEDĘÑŐÒFŎÕŎÖNŎC
ĨĢĜĘĮĬ
BepiColombo/PHEBUS
ĨĪPROCYON/LAICAÎFKÎÍC IĖHFĖ

4. ブレーズ型トロイダル回折格子-ブレーズ型で酸素原子輝線(130nm)に最適化
2022年7月に試作完了-ラミナー型(実績~30%)に対し、45％の回折効率を達成

従来型

0.1
0100

-ファイバオプティクプレートによるCMOSセンサとMCP(II)のカップリング技術を確立-CMOSによる高速撮像を利用した光子計数
入力上限 ~105 cts/s à >106 cts/s
空間分解能の向上 30-40 um à 6 um

110

120

130
140150JMQÑÕÑŌŊPO LŌÖĽ160

-試作機（φ40）で2倍程度の効率向上に成功

170

ファネル型MCP(1), CMOSカップリング(2),ブレーズ型トロイダル
回折格子(4)を組み合わせた分光器を試作中
2022年度中に完成・評価

まとめ
lLUVOIR/HabExは6m超大型紫外可視近赤外宇宙望遠鏡へ統合• 生命居住可能惑星、地球外生命探査、• 宇宙物理、地球物理全般を網羅する究極のミッションl日本の参加によりミッションを強化し、科学成果を拡大する
lキーコンポーネントを担当し、日本の技術レベルを高める。
lGOMTMPに参加し技術開発・実証を進める
lJAXA, NAOJで新たな枠組みを模索