JASMINEのデータ解析
ソフトウエアの構築

山田良透(京都大学大学院理学研究科)、河田大介(Mullard Space
Science Laboratory, University College London)、河原創(東京大学理学系研究科地球惑星科学専攻)、上塚貴史(東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター)、大宮正士(自然科学研究機構アストロバイオロジ―センター)、大澤亮(東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター)、服部公平(統計数理研究所統計思考院)、
立川崇之(高知工業高等専門学校ソーシャルデザイン工学科)、吉岡諭(東京海洋大学海洋工学部海洋電子機械工学科)、辰巳大輔(国立天文台JASMINEプロジェクト)、片坐宏一(宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所)、臼井文彦(宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所)、平野照幸(自然科学研究機構アストロバイオロジ―センター)、福井暁彦(東京大学地球惑星科学専攻)、越本直季(東京大学理学系研究科)、泉浦秀幸(国立天文台ハワイ観測所岡山分室)、郷田直輝(国立天文台JASMINEプロジェクト)、三好誠(国立天文台JASMINEプロジェクト)、矢野太平(国立天文台JASINEプロジェクト)、Wolfgang Löffler(ハイデルベルク大学)、JASMINEチーム

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Abstract• 公募型小型3号機に選定されたJASMINEは、位置天文観測衛星であり、データ解析が非常に大きなウェイトを占める。解析と、より現実的な模擬データを生成するためのシミュレーションを行うため、2020年9月より約20名の解析チームで活動を行っている。衛星の姿勢擾乱を含む画像の生成と、これを基にする解析で、高精度を実現できることを実証することが目的である。
本公演では、この進捗状況を報告する。

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可視光位置天文観測衛星Gaia(ESA：2013年~2025年？)
Gaia･太陽系近傍･広域のハロー星･バルジ/バー構造の上層部･銀河円盤上層部･全天サーベイ･３回目公開(2020.12)の中間データでは、約15億個の星の位置天文情報。
年周視差精度は明るい星で20~30μas

相補的Gaiaでは測定困難な領域あり！

画期的！天の川銀河研究の大革命が起こってきている！！

赤外線(1.1~1.6μm)位置天文観測衛星
JASMINE
･中心核バルジ･中心近くの銀河円盤･星間ガスに覆われた星形成領域銀河中心考古学

1．ハローの構造･形成史（銀河考古学）
2．太陽系近傍や反中心方向の銀河円盤の速度構造
3．バー構造のサイズ･回転速度

銀振学

1．中心核バルジの構造（天の川銀河誕生時の構造の痕跡？）
2．中心核バルジ内の円盤構造の形成時期
バー構造の形成時期を決定
太陽系が銀河内部から移動を開始
する時期
地球誕生や人類の誕生にも影響
3．超巨大ブラックホールの質量成長
4．内部円盤の振動

中心方向以外：低質量星周りの生命居住可能領域にある地球型惑星探査（日本初の系外惑星探査衛星でもある）3

位置天文にはデータ解析が重要• 25マイクロ秒角～0.6nm• 安定性を「測定」で保証する、較正することは不可能。

変動を抑える

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 < 5 × 10−8 オーダーの素材を開発。
1m程度の部材で、10mKオーダーの制御素材を選べない部分もある。

変動を制御 or 較正

0.6nmより十分高精度の測定が前提。
Gaia衛星はレーザー干渉計併用

残る手段: 変動を推定する

この精度のモデルを作り、他の測定値から推定する。

4位置天文データ解析• 問題規模• 欲しいパラメータ: 50万個 (10万星×5)• Nuisance parameter: 約1千万個• 観測数: 500億データ• 数mas → 25μasを実現

PSFの幅

400mas

光子数～30,000
400/ 30000~2.3

時々刻々の星像中心 4～6mas
観測数～500,000
6000/ 500000~8.4

位置天文パラメータ

25μas

数stepに分けて、最小二乗推定←Gaia衛星のあるステップの正規行列
スパースでもない、密でもない5

モデル駆動?データ駆動?
星=点像

光学設計

近くの暗い星連星・惑星
黒点

中心位置@検出器

光学系実現値
読み出し誤差暗電流
クロストークアラインメント誤差
鏡面の誤差

中心位置@天球

画像のひずみ(検出器特性、望遠鏡変形)
望遠鏡指向(xyの双多項式)検出器上の像中心位置(検出器上の)指向擾乱

位置天文パラメータ

連星、惑星、重力レンズ、黒点6

開発• メーカによる委託開発• 長期戦である⇒山田は定年⇒オープンソースQualityが必要• 開発はメーカに委託し、発注側は仕様書の整備に努める• あとで引き継いだ研究者が見てもわかる。

• ISO12207:2017(software lifecycle process), ISO15288:2015(system lifecycleprocess)に出来るだけ沿う• 研究者による開発• 様々な誤差要因を入れ込み、精度を向上させる部分は、Astronomerでないと出来な
い。

B大学
X大学

天文衛星
ISAS

A大学
…

ESA

A大学
…

Gaia

天文X大学
会社

他の物理工学情報
S/w会社出身7

E2E simulation groupの立ち上げ• UCL河田氏(JASMINEのproject scientist)が声をかけ、20名強のE2Eチームを立ち上げ。
• 9月より毎週会合+GItHubによるコード共有+Slackによる日常的な議論。
• NAOJ, ISAS, 東大,京大,東工大,海洋大, 高知高専,
統数研,大学院生から教授クラスまで。
• 「解析」と「シミュレーション」の二本立て「シミュレーション」の活動状況• 現段階で想定できるノイズ要因はほぼ実装済み• 系外惑星探査に必要な測光精度を得られるかどうか検証• 「解析」のinputにできるようなI/Fを実装。

「解析」の活動状況

文書

仕様改訂

測光精度の評価

系外惑星探査の成果評価
キャリブレーション方法の検討
衛星の位置、速度⇒星が見える方向
衛星の姿勢⇒像面で結像する位置
画像歪、検出器歪⇒結像位置(pixel単位)
PSF形状、星の色、ノイズ⇒光が作る像の形
検出器特性⇒電気的に得られる像の形
星の運動5

パラメータ

プロジェクトによる仕様策定
メーカによる実装

プロジェクトによる検証

運用計画に反映

導入するノイズによって、アルゴリズ
ムに改良を要する点を発見した場合セルフキャリブレーションで解けない擾乱
モードを発見した場合像の中心を推定データ解析は問題3年のデータを集めて運動を解く。

50分の観測からある時刻の星位置を求める。
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シミュレーションに取り入れたもの
ACE=Attitude Control Error
WFE=wave front error

src=source
det=detector
tel=telescope

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現状

PSFを推定する

推定した星像の中心と、画像生成時に与えた正解との差
1目盛りは1/40 pixel、緑の点(良いPSF)の標準偏差～1/280pixel、青の点(擾乱入りPSF)は横方向～1/50pixel

視野の端で星像が切れている場合近接した星がある場合

誤差

画像の生成

精度が十分でないケースの理由が分かってきた⇒アルゴリズムの改良中

PSF推定に使った星の数

パラメータとの関係を実証
例:星の数を増やすとPSF推定精度が上がる。

運動の推定部分は今後検証
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今後
FY2016

End to end (E2E) simulation:
位置天文学では観測システムのモデル化、擾乱要因のモデル化により、星の運動と装置モデルパラメータの同時推定を行い、精度を出す。このプロセスがうまく機能し、目的の精度を達成できることを確認することが、end to end simulationの目的である。

FY2017FY2018FY2019FY2020

FY2021

FY2022

FY2023

担当者(1名)による開発

NAOJ資金で招聘

Heidelberg大学資金でHeidelberg大と共同研究

DLR資金apply

ソフトウエアメーカへの委託⇒
研究者に依るEnd to end simulationチーム活動
旧ΔMDR
予備的計算で、解析の各要素で期待する精度が出ることを確認した。

国際審査 プリプロ候 ダウンセレク
補選定審査 ション前審査

ノイズ入り
画像生成

解析各要素の実装
End to end計算のパイプライン開発

原理的に可能である。
End to end計算が有効と示唆

マイルストーン
理想的な状況で、end to endで解ける(要素ではなく)・想定する誤差導入・対処法を検討・精度達成に必要な較正法確立

・更なる精度向上
・処理高速化国産のInGaAsセンサー使用⇒感度ムラの情報などは得られやすい
必要なデータは実験で取得可

Heidelberg大学チームとの共同開発の狙い:• Gaia衛星の経験を持ち、ソフトウエア開発実績があるチームの知見とノーハウを取り入れたい。
ソフトウエア会社への委託開発の狙い:• 委託に伴って、専門家への聞き取り(システムライフサイクルの専門家)• 長期の計画(=衛星計画)に耐えるquality(可読性や設計柔軟性)のソフトウエアの開発。(オープンソース品質)• プロジェクト側にしっかりとしたドキュメントを残すこと。
• スケジュールのキープ11