ガンマ線バースト探査衛星HiZ-GUNDAMの現状
津村耕司 (東京都市⼤学)
福井陽喜、宮坂明宏 (都市⼤)、松原英雄、⼟居明広、篠崎慶亮 (ISAS/JAXA)
松浦周⼆ (関学⼤)、川端弘治 (広島⼤)、秋⽥⾕洋 (千葉⼯⼤)、⽶徳⼤輔 (⾦沢⼤)ほか HiZ-GUNDAM チーム

HiZ-GUNDAM (High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission)
ミッション⽬的：“初期宇宙探査” と “マルチメッセンジャー天⽂学”への貢献

2030年頃の打上げ⽬標

主要課題１： ガンマ線バースト(GRB)を⽤いた初期宇宙探査
観測： ⾼⾚⽅偏移 GRB の検出 (9 < z < 12)
科学： 初期宇宙の星形成率の測定と初代星を起源とするGRBの探査
宇宙再電離と元素合成の変遷の理解
主要課題２： マルチメッセンジャー天⽂学の推進
観測： 重⼒波・⾼エネルギーニュートリノと同期した突発天体の同定
科学： ブラックホール誕⽣時のエネルギー変遷、希⼟類元素⽣成
重⼒エネルギーを源泉とした宇宙線加速の理解
観測戦略(1) 広視野Ｘ線撮像検出器による暗いGRBやＸ線突発天体の発⾒(2) ⾃律制御による衛星の姿勢変更(3) 近⾚外線望遠鏡を⽤いた⾼⾚⽅偏移GRBやキロノヴァの同定(4) 観測情報のアラート送信(5) ⼤型望遠鏡による⾼⾚⽅偏移GRBや重⼒波天体の分光観測

広視野Ｘ線撮像検出器
・ ロブスターアイ光学系
・ pnCCD 撮像検出器
近⾚外線望遠鏡・ アサーマル光学系
・ 5バンド同時測光
2

GRBを⽤いた初期宇宙探査の意義• 銀河やクェーサーの観測と⽐較した、GRBでの初期宇宙探査の利点
1. 銀河と⽐較してGRB発⽣直後の残光は数1000倍以上と圧倒的に明るいため、短時間の観測でもS/N⽐の⾼いデータを獲得できる
2. ⼤規模な銀河は⻑期間にわたって輝いているため銀河間空間を電離してしまう（観測バイアスが存在する）が、突発天体であるGRBは爆発より前に銀河間空間へ与える影響はほとんど無いことから、初期宇宙の普遍的な状態を計測できる（無バイアス性の⾼い計測が可能である）
3. 銀河やクェーサーのスペクトル形状は複雑で、かつ個性があるためにライマンα吸収端の減衰翼形状の測定が困難であるが、GRBは単純なベキ型のスペクトルであることから同形状を測定しやすい（モデル依存性の少ない計測が可能である）

過去の観測例 (すばる望遠鏡 FOCUS分光)

Totani et al. (2014)

従来のGRBでの初期宇宙探査の問題点
1. ⼈⼯衛星でGRBを検知し、その位置を地上にアラートする⬇ 1時間以内
2. ⼝径30cm~1m級の⼩型望遠鏡で残光を発⾒する⬇ 数時間~1⽇以内
3. ⼝径2~4m級の中型望遠鏡で⾚⽅偏移を同定する⬇ 約1⽇後4. ⾼⾚⽅偏移GRBに対して、⼝径8m級の⼤型望遠鏡で分光観測する
⼤型望遠鏡が観測する頃にはGRB残光が暗くなってしまっている
Swift衛星の18年の観測期間で、z>7のGRBは2例のみ
しかもこれらの分光スペクトルは統計精度が低い

HiZ-GUNDAM衛星の⽬標HZGでまとめて実現

1. ⼈⼯衛星でGRBを検知し、その位置を地上にアラートする⬇ 1時間以内
300秒以内で⾃律的に2. ⼝径30cm~1m級の⼩型望遠鏡で残光を発⾒する 追観測開始⬇ 数時間~1⽇以内
3. ⼝径2~4m級の中型望遠鏡で⾚⽅偏移を同定する
1時間以内⬇ 約1⽇後4. ⾼⾚⽅偏移GRBに対して、⼝径8m級の⼤型望遠鏡で分光観測する
GRB発⾒から⼤型望遠鏡による追観測の実現までを迅速化
HZGで発⾒したすべてのGRBに対して⾚⽅偏移を測定するので、⾼⾚⽅偏移GRBの⾒落としがない

地上追観測に対する要求
Expected Lightcurve for GRBs @ z = 7
Gray: Long GRB
Black: Short GRB

左の図は、距離が既知のGRBに対して、そのGRBをz=7に置いた時に予想される
ライトカーブ
発⾒後1時間で追観測が実施できれば、予想される明るさは21等より明るい(>90%以上の確率で)

1 hour 1 day
Based on Kann et al. (2010)

近⾚外線分光観測を実施できる国内唯⼀の装置はかなた望遠鏡(1.5m)のHONIRだが、その感度は13等級程度で分光観測は不可
せいめい望遠鏡に分光器を搭載しても、1等深くなる程度なので状況は変わらない
8m級のすばる望遠鏡が必須

7

追観測の感度

Swift/BAT

2% of all sky

HiZ-GUNDAM

12% of all sky

観測時間スケール (秒)X-ray
event/yr
X-ray
GRB (6<z<12)26
Tidal Disruption
best
SN Shock Breakout
GW/SGRB prompt~8
Stellar Flare
GW/SGRB E.E.
~8
Direct collapse BH
GRB/SGRB~700
Accretion induced
Low-Luminosity>5collapse
GRB
X-Ray Flash502/s)
観測フラックス期待値 (erg/cm
近赤外線帯の検出限界(magnitude)

検出感度 (erg/cm2/s)

検出期待値

Too late
Observation start

突発天体発見からの時間
観測時間スケール (秒)(秒)
event/yr
60>5manya few~10

Near Infrared
event/yrafterglow (6<z<12) best
13
macronova~8 + αSupernovae
40
afterglow ofmany
GRB/SGRB/XRF
Variable stars
manyz > 6 の GRB を年間で ~10 個程度 アラート

8

光学設計の変更
旧光学設計
多段ダイクロイックミラーによる4波⻑同時観測(可視光1バンド、近⾚外線３バンド)
視野 34分⾓、検出器4個 (可視光検出器1個、近⾚外線検出器3個)
新光学設計
ダイクロイックミラー＋ケスタープリズムによる5波⻑同時観測(可視光１バンド、近⾚外線４バンド)
視野15分⾓、検出器2個 (可視光検出器1個、近⾚外線検出器1個)• ⾼価な⾚外線検出機の個数の削減• バンド数の増加• 視野は縮⼩観測波⻑の切り分け⽅の変更
0.50.91.5

Ch.1

2.0Ch.2

Lyman-alphaz = 6.4

0.50.9z = 11.3
1.3

Ch.2

Ch.1Ch.3z = 15.4z = 19.6

2.1

2.5

Ch.4波⻑ [µm]

旧光学系

Ch.4

1.7
Ch.3

2.5

波⻑ [µm]Ch.5
新光学系

Lyman-alphaz = 6.4z = 9.7z = 13.0z = 16.3z = 19.6

ケスタープリズム• ⼊射光を多波⻑分割する光学素⼦• プリズムの斜辺で全反射させることで、射出光の⽅向を揃えている• 普通は1×4分割となるが、2つのプリズムを直⾏して重ねたダブルケスタープリズムでは2×2分割を実現できる• 視野要求から、HiZ-GUNDAMではダブルケスター
プリズムを採⽤する• ドイツの共同研究者らが超⼩型衛星⽤にケスタープリズムを開発していた知⾒を活⽤• 国内メーカーと協⼒して今年度中に試作品を制作して各種試験を実施する

熱設計の改良 à 詳細は福井によるポスター発表• 感度要求から、• 望遠鏡筐体: <200K• ⾚外線検出機: <120Kに冷却する必要がある• 旧光学系では機械式冷凍機の搭載を前提としていた• 新光学系では、機械式冷凍機なしで、放射冷却のみで⽬標温度を達成できる熱設計解を得ることができた。
• 現在はメーカーとの概念検討で、この熱設計を詳細化している
熱モデル計算の⼀例

HiZ-GUNDAMの現在のステータス
現在までの経緯• 2018年1⽉• 2018年5⽉• 2021年1⽉• 2021年10⽉• 2023年4⽉

JAXA/ISAS 公募型⼩型衛星計画 ミッションコンセプト提案
ミッションコンセプト採択
プリプロジェクト移⾏審査
プリプロジェクト移⾏再審査 à 合格
公募型⼩型衛星5号機 ダウンセレクション審査2⽉に再審査を受けることとなった
⼤型望遠鏡との協調追観測による科学成果創出までをミッションに含めることが合格の条件【今までのミッションスコープ】
⾼⾚⽅偏移GRBの発⽣をアラートすることまでが衛星の役割
⼤型望遠鏡による追観測はミッション外【新しいミッションスコープ】
⼤型望遠鏡で協調追観測による科学成果創出までをミッションに含める

追観測検討チームの結成• 発⾒したGRBに対して⾃分達で追観測して科学成果を創出する枠組みを検討し、サイエンステーマごとに追観測チームを結成する• ２⼤テーマである「初期宇宙」と「マルチメッセンジャー」で検討を開始した• GRBアラートに対して、すばるなどの国内望遠鏡で即応的(1時間以内)に追観測を実現したい(2030年代)• すばるとの協調観測など、コミュニティと議論しサポートを得ていく努⼒をしていく(光⾚天連での議論、サポートを期待)
HiZ-GUNDAMチーム
初期宇宙探査リーダー：播⾦優⼀

マルチメッセンジャー
リーダー：⽥中雅⾂

サイエンスC

サイエンスD

追観測の提案

追観測の提案

追観測の提案

追観測の提案・・・

HiZ-GUNDAMが突発天体観測の「司令塔」の役割を担い、世界の大型望遠鏡の総力をあげて「マルチメッセンジャー天文学」を推進

追観測可能な8m級望遠鏡の分光器• 近⾚外線の広波⻑帯(J,H,K)を1度の観測で分光できることが重要• すばる• NINJA: J, H (+ K) を同時分光観測、21.5 ‒ 22.0 mag (6時間積分, S/N = 10)
AOが使える唯⼀の装置なので、感度的にも最適• PFS: 多天体分光が特徴なので、1天体分光には不向き
現在の想定では当⽇朝9時までにToO発出する必要があり、観測まで >9時間

• ほか、Keck/NIRES、VLT/X-shooter、Gemini/SCORPIO(2024~)で近⾚バンド同時分光観測が可能• ただし、LTAOが使えるNINJAの⽅が0.5−1.0mag 深い• Keck/MOSFIRE, Gemini/GNIRSなどはバンドごとの分光なので効率が落ちる

すばる/NINJAでの追観測が最適光⾚天連での議論・サポートを期待• 2030年代に、HiZ-GUNDAMが発⾒した⾼⾚⽅偏移GRBを、すばる等を⽤いて効率的に追観測を実現したい• すばる３の有⼒なサイエンスの⽅向性にならないか(タイムドメイン天⽂学、マルチメッセンジャー天⽂学、スペース観測との協調)• その実現のため、光⾚天連やすばるSACなどの場で、必要な対応について議論を⾏い、理解を求めていく活動を⾏なっていく• ToOの迅速化(アラートから1時間以内の観測開始)の実現に向けての議論• JAXA-NAOJ間の協定の可能性はある？
• ある条件を満たしたGRBをHZGが発⾒した場合、すばるで優先的に追観測を⾏う、など• 「追観測による成果創出」までをミッションに含めることがJAXAから求められており、これはミッション選定にも⼤きく関わる皆様からのご意⾒、サポートをよろしくお願いしますまとめ• HiZ-GUNDAMは、ガンマ線バースト(GRB)観測を通して、初期宇宙探査とマルチメッセンジャー天⽂学を推進する衛星計画• 公募型⼩型衛星計画5号機として選定されることを⽬指して、2⽉に再審査を受ける• 選定されれば、2030年頃の打ち上げを⽬指して開発が本格化する• GRB発⾒のアラート発出に加え、その追観測による科学成果の創出までをミッションスコープに含める• チーム内に追観測チームを結成して検討を開始した• すばる望遠鏡との協調観測など、コミュニティ内での議論を進めていく• HiZ-GUNDAM搭載の近⾚外線望遠鏡の開発を進めている• ケスタープリズムを採⽤した新しい光学設計を採⽤する⽅針• 機械式冷凍機なしで冷却する熱設計を前提とする