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
2022/09/20-22 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」

HiZ-GUNDAM プリプロジェクト候補チーム

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

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
84名/32機関 (韓、英、伊、等を含む)
メンバー数

4

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 years5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
6・ 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  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• 検出器冷却用の機械式冷凍機を含めた熱検討・構造検討を実施中
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

21.4

21.3

20.9

20.7

HyViSiHgCdTeHgCdTeHgCdTe7

姿勢運用シナリオ
Nominal Operation

Globalstar
orIridium
KSAT

衛星軌道:
太陽同期極軌道（昼夜境界帯)

Pointing
560 sec

Maneuver150 sec

VHF(1) ノミナル待機姿勢：反太陽側に30度（太陽離角120度）、進行方向に50度倒れた方向（慣性空間固定）
VHF(2) 560 sec間姿勢を固定し、X線モニタでトランジェントを監視（GRB発見したら直ちにそちらへマヌーバ）(3) 次の待機姿勢に、150秒間でマヌーバ

各周回で約8回、異なる天空をX線で監視
X線モニタで検出したGRBを10分間以上近赤外望遠鏡でフォローアップするための最適なシーケンス

反太陽側
⦿
より見た
軌道面
Solar

KSAT
8

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~10

Near Infrared
afterglow (6<z<12) best
macronova
Supernovae
afterglow ofGRB/SGRB/XRF
Variable stars

event/yr
13~8 + α
40
many
many

Swift 時代： 赤方偏移 z > 6 の GRB は約 0.5 event/yr  HiZ-GUNDAM は約 20〜30倍9良質な分光スペクトルは 0.1 event/yr
 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

EM

FM

現在

• 2021年末にプリプロジェクト移行審査に合格• 2022年度は、衛星バス・X線モニター・近赤外望遠鏡・MPUそれぞれについて、メーカーを交えての概念検討を実施中• 2022年12月頃にダウンセレクション

ダウンセレクションに向けて（１）：コスト推定の精度をあげる• 2022年12月予定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は絶対条件• コスト推定の精度を上げる
A)
B)

複数のメーカー検討を通して、衛星・ミッション部のコスト推定の精度を高める
HZGチームが主体の観測装置検討においては、技術課題を洗い出し、開発計画を明確化することがコスト推定の精度向上につながる

11ダウンセレクションに向けて（２）：観測装置仕様の変更について• コスト推定の精度向上のために、観測装置仕様の変更も視野に入れる。具体的には以下：– 広視野X線モニター ： 6台  4台
• 視野が2/3になる  検出期待値が2/3になる– 近赤外線望遠鏡 :• 温度要求の緩和 (200K  270K)⇔ 観測波長域 <2.5 µm  <2.1 µm

12ダウンセレクションに向けて（２）：観測装置仕様の変更について• コスト推定の精度向上のために、観測装置仕様の変更も視野に入れる。具体的には以下：– 広視野X線モニター ： 6台  4台
• 視野が2/3になる  検出期待値が2/3になる– 近赤外線望遠鏡 :• 温度要求の緩和 (200K  270K)⇔ 観測波長域 <2.5 µm  <2.1 µm• 検出器数の削減 → 視野の削減 （この後述べます）
仕様の変更には、コミュニティとの議論と合意が必要

13

ダウンセレクションに向けて（２）
近赤外線望遠鏡の開発課題

+Z

進行方向

θY

• 熱構造設計の詳細化– 熱構造概念設計の成立性の確認• 常温打ち上げ・軌道上で冷却• アサーマルな光学設計とその実現性• 断熱支持構造+X

θX+Y

θY = -30  0, -60
θX = +50  +80– GRBフォローアップ姿勢（最悪姿勢）での熱的成立性？

• 検出器の選択– ベースラインはTIS社のH1RG×３チャンネル– JASMINEで開発中のInGaAsを使用？
– ケスター（Kösters-type）プリズムの導入による検出器個数の削減？
14近赤外望遠鏡の課題（Cont.）
ケスター（Kösters-type）プリズムの導入？
•

現在ビームスプリッタで3つの検出器に振り分けているところを1個に（波長帯は4分割）→ コスト削減／視野は減少

Greiner & Laux (2022)

1×4 短冊分割：
FoV = 8.5’×34’

2×2 田型分割：
FoV = 17’×17’

視野はX線モニターによるGRBの位
置決定精度から10分角は必要

製作経験のある国内メーカーと、衛星搭載仕様を満たすものが低コストで作れるか、検討中
15

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し（公募型小型５号機）概念検討をメーカーも含めて実施中
2022年12月頃、ダウンセレクション••• コスト削減／ミッション成立性を高めるため、観測装置仕様の変更も視野に入れて検討中（ X線モニター の台数、ケスタープリズムの導入の是非）コミュニティとの議論と合意をする機会（ミニワークショップ）を再度設けます
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 cm34 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

1620.7