NASA大型紫外可視近赤外線宇宙望遠鏡LUVOIRへの参加(Large UV/Optical/Infrared Surveyor)
US Astrophysics Decadal Survey 2020で検討中の超大型衛星計画 （2039年打ち上げ予定）

l 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)
LUVOIR検討会

T. Sumi(Osaka), Akio Inoue (Waseda University), Ikuru Iwata (NAOJ), Shingo Kameda (Rikkyo University), Tadayuki Kodama (TohokuUniversity),Yuichi Matsuda (NAOJ), Taro Matsuo (Osaka University), Kentaro Motohara (Tokyo University), Naoshi Murakami (Hokkaido
University), Go Murakami (JAXA/ISAS), Norio Narita (NAOJ), Jun Nishikawa (NAOJ), Masami Ouchi (Tokyo University/ICRR),Nao Suzuki(Tokyo University/IPMU),Motohide Tamura (Tokyo University/ABC), Masaomi Tanaka (Tohoku University), Kohji Tsumura (Tokyo CityUniversity), Toru Yamada (JAXA/ISAS):
2021/9/8

光赤天連シンポジウム ＠online

Telescopel Segmented, deployable far FUV/optical/NIR telescope (100 nm to 2500 nm)
ThehighLarge UV/Optical/Infrared
Surveyor(LUVOIR)
6l Ultra-stable to enable
performancecoronagraphyl Serviceable & upgradable (25 year lifetime goal for non-serviceable comp.)
LUVOIR-A
15m (~0.008arcsec)
On-axis270K(milli-Kelvin precision)
The Large UV/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR)
4 instruments

7

Figure 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)LUVOIR-B• Telescope optical designs to alleviate polarization effects that can degrade
8m (~0.016arcsec) coronagraph contrast (validated by analysis; Will & Fienup 2019, submitted)• A sunshade that is larger but simpler than the JWST sunshield (three layers insteadOff-axisof JWST’s five, relaxed requirements on layer positioning after deployment)
3 instruments• A field-of-regard that covers most of the sky (LUVOIR can point to within 45° of theSun), greatly enhancing target of opportunity, exoplanet, and solar system
2observations
Figure5: The LUVOIR-B observatory, with an 8-m diameter off-axis primary mirror and three

Deployment
andwithpointing
animation•instruments.
Moving target
capability
tracking
speed atof https://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/design/.
60 mas/sec (2x faster than JWST)•

Credit: A. Jones (NASA GSFC)

HDI: A near-UV to near-IR imager covering 200-2500 nm, diffraction limited andsampledwith highprecision• Nyquist
Modulardesign atto500
easenm,on-orbitservicing
and astrometry
integrationcapability& testing on the ground:-3-9+67-67-8):15/:-47
1-3,6.8-/)8,#;5$-3-9+67-$)8/-:
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LUVOIR Instruments      

コロナグラフ広視野カメラ 

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:37,565$/2.('多天体分光器

$0'2$55< 1"  Apertures    < 

0/偏光分光器

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21.$4,;$6,10

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UVIS:3Gpix
NIR:320Mpix

Multi-object spectrograph ESA contribution
Micro-shutter, FUV imaging Only for LUVOIR-A

0/Sensitivity curves for LUVOIR and other telescopesl 強力な紫外線、可視光望遠鏡として全分野で期待（HSTの後継）
l 大口径、超高解像度(0.01”)でHST, Ultra-deep fieldを塗り替える。

• 紫外線は地上からは不可能• 他の大型スペースミッションとしてはHST、WSO-UV、
LAPYUTAのみ• 感度はHSTの約１０００倍• WSO-UVの約６００倍

ELT：AO@>1μm

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. Arney5

Broad range of general astrophysics
l 銀河の形成と死n UV分光で、銀河内の熱いガスの膠着、噴出を調べ、そのサイクルと形成過程を解明
n 過去に遡って、最小の構造体(substructure)を分解し、銀河のマージャー史、生成過程を解明
l 太陽系天体のモニター
氷衛星での生命探査。高空間分解能UV分光撮像により、探査衛星なみの観測ができ、ガイザーの活動強度や頻度を解明. など

Europa jets observedwith 15-m LUVOIRCredit: G. Ballester(LPL)– 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)
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 upper
panel; 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)
l 地上局 : L2, Ka-band, (Romanで整備) （運営費5億円）
合計210億円程度
LUVOIR(1.0-1.8兆円)の中では1/50以下のパートナーでも、キー技術で旗艦ミッションに参加することが重要多天体高安定高分散分光器 Matsuo et al. submitted to AAS
Multi-object high-dispersion densified pupil
spectrograph + a new line-of-sight monitorl M型星周りのノントランジットハビタブル惑星の大気測
定、生命探査l 宇宙の加速膨張史の直接観測

Wavelength range

320 – 670 nm

Resolving power> 10,000 (depending on science case)Stability~ a few ppm (optics only)# of field-of-views~ 10

RV uncertainty~ a few cm/s (depending on science case)

Directly trace Hubbleparameters
at high redshifts !

Optical design

セグメント鏡回折限界コロナグラフ
Contrast: 10-10IWA: ~ 1 λ/D (ideal limitation)↔3.5λ/Dfor LUVOIR-AB– 29 –2Previous

0-2

star-4

Coronagraph mask + spectrograph

50 mm
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 upper
panel; 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)

HabEx

LUVOIR-BStark et al. 2019

〜75

> 100
LUVOIR-A

similar yields to the coronagraph-only missions, but higher quality and quantity of spectra.24

8080
This
studyon the throughput is not considered.

Yield for LUVOIR-B: 28 (Current) → > 70 (Ideal)
Yieldfor LUVOIR-A: 54 (Current) → > 100 (Ideal)
in which both a coronagraph and starshade are used simultaneously. Such missions would have

6060
ExoEarth Candidate Yield

4

Number of Earth Searching for Biosignature

ExoEarth candidate yield

Angular separation (λ/D)

Throughput on sky

Itoh & Matsuo, AJ 2020; Matsuo et al. AJ 2021

Segmented
Off−Axis

4040
2020

DM−Assisted
Vortex Coronagraph

Segmented
On−Axis
Apodized Pupil
Lyot Coronagraphs

Monolith
Off−Axis
Vortex Coronagraph

0000

Single Starshade
No refueling10121466
1444
1088
1222
Inscribed Diameter (m)Diameter of primary mirror (m)Fig 10 The exoEarth candidate yield landscape for future direct imaging coronagraph- andstarshade-based space telescopes, assuming 2 years of telescope time. The spread in coronagraph yields (green, red, and blue) corresponds to high and low throughput scenarios consideredherein. Astrophysical uncertainties are shown for several point designs (black). Without refueling, the yields of starshade-based missions are limited, while yield increases with aperture sizefor coronagraph-based missions. As long as segment gaps are small and the requisite engineering
constraints can be met, there is little to no yield penalty for segmentation, but currently a substantial penalty for an on-axis telescope design. The primary mirror geometry is illustrated along theECLIPS用コロナグラフ光学系コンポーネント提供• 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• 射入射に強い6次マスク開発中• 高コントラスト観測シミュレータ （技術開発施設の整備）

試作した3層広帯域8分割位相マス
ク（近赤外用）
π0π00π• e.g., FACET, EXIST構築中 （@北海道大）• コロナグラフ（焦点面マスク型，ナル干渉型など）・ダー
クホール制御試験 à 10-9 オーダのraw contrast達成(Yoneta, Murakami et al., in prep.)

Nishikawa et al., Proc. SPIE, 11447, 114474T(2020)

0 π• 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è 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”

LUVOIR-A & -B 用に設計した瞳アポダイザ
Nishikawa et al., Proc. SPIE, 11447-254 (2020)

ダークホール制御前

テストベッド FACET 外観と，ダークホール制御試験結果の例Murakami, et al., Proc. SPIE, 11443, 114432M (2020)

ダークホール制御後

紫外検出器 (micro-channel plate、MCP) の開発
ひさき衛星のヘリテージ

1. 高感度化：ファネル型MCP

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×53 mm

53 mm
試作済み、性能を評価中

QuantumÑŅŅÒŃÒÑŌŃŘ
ÏÞMŌPÞÖ efficiency

微細加工技術で開口率を向上

0.5
0.4
0.3~2倍の効率向上
ファネル型ĞÞŌŌÑÕǼÌFĨĂŒMÖŐÕÑ ÁĈÅFunnel-MCP
ĢÒŒMÔÒC
ĜĴFĜĜG
Hisaki/EXCEEDĘÑŐÒFŎÕŎÖNŎC
ĨĢĜĘĮĬ
BepiColombo/PHEBUS
ĨĪÎFKÎÍC
IĖHFĖ
PROCYON/LAICA

0.2 従来型
0.1
0100

110120130140150
JMQÑÕÑŌŊPO
LŌÖĽ
Wavelenght [nm]

160

170

-試作機（φ40）で2倍程度の効率向上に成功-WSO-UV/UVSPEXで小型機（φ18）の宇宙実証（2025-）<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LUVOIR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-高速撮像を利用したフォトンカウンティング-試作機で1011 以上のダイナミックレンジ、6 umの空間分解能を達成-WSO-UV/UVSPEX で宇宙実証
50 fps読み出しでダイナミックレンジ11桁以上を達成

LAPYUTAと共同開発

学術的価値、緊急性, 各分野での連携, 実現性
l 学術的価値• 地球外生命の探査は、現在の天文宇宙物理、地球惑星科学の最重要分野の一つで、国民の関心、知的価値は高い。
l 緊急性• まもなくUS Decadal Survey 2020発表。大型計画の１位に選ばれれば、直ちに参加を表明し、概念検討段階で日本の貢献案を提案する必要がある。
l 各分野での連携• 宇宙論、銀河、突発天体、太陽系、系外惑星、惑星科学など様々な分野の理論、実験研究者１８名が検討チームに参加。さらに拡大が期待される。
l 実現性• US Decadal Survey 2020に選ばれれば実現可能性大• NASA およびLUVOIR STDTは、日本の参加を歓迎• コロナグラフ装置開発は、Romanの実績を生かせる• 紫外線検出器、コーティングは、ひさき衛星、WSO-UVでの実績を生かせるSummaryl LUVOIRは超大型の紫外可視近赤外宇宙望遠鏡
l 生命居住可能惑星、地球外生命探査、
l 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することで、日本の技術レベルを高める。
ファイナルレポート：https://www.greatobservatories.org/
May 17, 2001