宇宙科学シンポジウム 2021.1.7

JASMINE（赤外線位置天文観測衛星）の全体的状況
郷田直輝（国立天文台JASMINEプロジェクト）
赤外線位置天文観測衛星（小型JASMINE）
プリプロジェクト候補チーム

Credit: JAXA

Credit: NAOJ
Credit: NASA§１．位置天文観測とは？
★位置天文観測(astrometry)＊星の撮像観測を行い、その観測で得た天体の天球面上での位置の時間変動（時系列データ）とそこから導かれる年周視差と固有運動等の位置天文パラメータをカタログとして供出する。
＊年周楕円運動＋固有運動（直線運動）＝らせん運動
星までの距離らせん運動星の接線速度＊星によって、らせん運動からの“ずれ”がある惑星系、連星系、重力レンズ効果などこれらの天体の物理情報が得られる

Credit: ESA2

位置天文観測の大革命時代到来
光学大型位置天文観測衛星Gaia(ESA)は革命的：質（10μ秒角クラスの位置決定精度）、量（15億個以上の星）とも画期的な星の位置、距離、速度情報が得られる時代に突入！ ＊科学運用：2014年～2019年
2022年末まで運用延長決定
さらに2025年末まで延長(見込み）

天の川銀河の研究が大進展！！
Gaia

Credit: ESA
Figure courtesy EADS-Astrium

★Gaiaカタログのリリース:＊科学運用：2014年～2019年
2022年末まで運用延長決定
さらに2025年末まで延長(見込み）

中間リリース
初回のデータ(DR1)：2016年9月14日に公開
2回目のデータ（DR2)：2018年4月25日に公開
3回目は早版(EDR3)は、2020年12月3日に公開
3回目の完全版(DR3)は、2022年前半に公開予定。
＊DR4(ノミナル運用＋α）、DR5（延長含）の公開日は未定

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Gaia DR2（２回目の中間データ）: 2018年4月
Gaiaでみた天球の星（１３億個）

Credit:ESA/Gaia/DPAC

Gaia EDR3でとらえた星の運動

Credit:ESA/Gaia/DPAC

100ｐｃ以内の4万個の星に対する今後40万年間の軌跡（予想）星までの距離の誤差（3等級<G<15等級)
Gaia DR1(2016年9月公開）: 年周視差の誤差：0.3 ミリ秒角,20% error →670pc(2200光年)まで
Gaia DR2（2018年4月）: 年周視差の誤差：0.04 ミリ秒角,
20% error →5kpc(16000光年)まで
Gaia EDR3（2020年12月）: 年周視差の誤差：0.02 ~0.03 ミリ秒角,
20% error →8kpc(26000光年)まで

Gaia （精度が10μ秒角達成時）(2024年（？）以降）

Gaia EDR3

Gaia DR1

Gaia DR2

Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hunt

＊Gaiaの成果例
2020年12月時点で4300本以上の論文○太陽系内天体、オウムアムアのふるさと？
○星の色と明るさの関係恒星進化論〇系外惑星の質量導出○白色矮星のカタログ○高速度星の発見○隠された星団の発見〇星の密度分布○ダスト（塵）の３次元分布○天の川銀河の総質量測定〇アンドロメダと天の川銀河との相対速度○矮小銀河の衝突の痕跡〇銀河間を飛来する星○バー構造の実視○太陽系近傍の運動星団の精密測定～複雑な星の速度構造～(EDR3では、anti-center方向に拡張）○銀河面振動（さざ波）の発見○太陽系の加速運動を初めて検出（EDR3)○その他、多数

＊バー構造の実視
Gaia DR2(Anders, F., et al.、 2019)

Copyright: Data: ESA/Gaia/DPAC, A. Khalatyan(AIP) &StarHorse team; Galaxy map: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC/Caltech)

＊太陽系近傍の運動星団～複雑な速度構造～
速い

U,Vは局所静止基準系からみた速度

Gaia DR2
かみのけ座

回転V

太陽

Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hunt

回転速度 V (km/s)

U

ヒアデス

シリウス

ヘラクレス
プレアデス
アークツールス

外向きGaia Collaboration, Katz et al. (2018)内向き

バー構造や渦状腕の遅い 銀河の半径方向の速度成分 U (km/s)
影響の可能性（非軸対称構造による共鳴効果軌道が分岐し別種類の軌道に分かれる）、
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他、矮小銀河の残骸

Gaia DR2＝＞
太陽系近傍と同様な運動集団（sub-structure)が他の箇所にも拡がって存在している
Rotation

Vrot − VLSR (km/s)

Vrot − VLSR (km/s)

ScutumSagittarius Local
R⦿
bright w/RVS

PerseusSun
HerculesAll

Distance fromthe centre

Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hunt

SiriusHyadesSirius

Hy/PleHerculesPleiadesRgal (kpc)
Gaia Collaboration, Katz et al. (2018)

Kawata et al. (2018, MNRAS, 479L, 108)

Gaia EDR3Anti-center方向にも運動星団が続き、新しい運動星団も見つかった。

Gaia Collaboration,
Antoja et al. (2020）12

＊銀河面のさざ波～銀河ディスク面に垂直な方向に沿って星の軌道が振動～

Credit: ESA

矮小銀河の衝突、バー構造や渦状腕の影響の可能性13

銀河面に垂直方向の振動と 半径方向の平均速度
銀河半径方向の振動
垂直方向の平均速度
Gaia DR1 solar neighbourhood
Rg ← Lz

Friske& Schönrich(2019)

Kawataet al. (2018)
Gaia Collaboration,
Antoja et al. (2020）

Schönrich & Dehnen (2018)

Gaia DR2 ＝＞銀河系ディスクは、滑らかに回転しているのではなく、摂動を受けている。

Gaia EDR3anti-center方向にも続いている
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以上のようにGaiaはすでに数々の成果
今後、ますます期待できる！
･精度の向上･変光星の解析･連星系、系外惑星、重力レンズ天体の解析･その他、諸々しかし･･･Gaiaでは、よく見えないところが！
天の川銀河の中心、銀河面など
さらに、天の川銀河の中心方向は測定精度が比較的悪い(Anders, F., et al.、 2019)

Gaia DR2（２回目のデータ）: 2018年4月
Gaiaでみた天球の星
Credit: ESA/Gaia/DPAC＊天の川銀河の中心部は“歴史”の宝庫
例：バー構造は、いろいろな面でキーとなる存在･バルジの形成、進化（バーによるbuckling instability？ 軌道の共鳴現象？）･運動星団の起源･銀河面の振動･銀河ディスクのガスを中心領域へ提供･太陽や恒星の誕生場所やその軌跡

バー構造が本当に原因か？(渦巻き構造や矮小銀河の衝突効果との比較）
その影響はどの程度か？
バーの形成時期、パターンの回転速度とその時間変化が重要な物理情報

天の川銀河の中心部(中心核バルジ）に解答が隠されている！！

２．JASMINE計画
赤外線位置天文観測衛星計画
近赤外線による観測

可視光による観測（波長：1.1～1.7ミクロン）（塵に覆われて可視光では観測しにくい）18

「小型JASMINEミッション」（JASMINEと記す）◎JAXA宇宙研の公募型小型計画宇宙科学ミッション（イプシロンロケットでの打ち上げ）での実現を目指している。

◎2019年5月、JAXA宇宙研により公募型小型3号機の唯一の候補に選定していただいた。
現在、Pre-Phase A2段階
Phase Aへのステップアップを目指して概念検討を進行中。

イプシロンロケットでの打ち上げ（内之浦）Credit:JAXA

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2－2 JASMINEの科学目標と期待される成果
１．赤外線による超高精度位置天文観測により、距離2万6千光年に位置する星の距離と運動を測定し、天の川銀河の中心核構造と形成史を明らかにする。
中心核バルジに今も存在する様々な年齢をもつ星の空間分布と系統的な運動分布により、中心核バルジの力学構造とその歴史を理解する（銀河中心考古学）。

2．太陽系や惑星をもつ星の移動を引き起こす原因となる銀河構造の進化の過程を明らかにし、人類誕生にも関わる天の川銀河全体の形成史を探求する。
中心核ディスクの形成時期、内部ディスクの物理情報 バー構造の形成時期、バーの回転速度変化
太陽系や惑星をもつ恒星が誕生した場所や銀河系内を移動してきた軌跡を明らかにする研究が飛躍的に進展できる。

3．赤外線位置天文観測で達成される高精度な測光能力を活かした時間軸天文観測により、生命居住可能領域にある地球に似た惑星を探査する。
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★JASMINEが遂行する銀河中心考古学―中心核バルジで、JASMINEが世界で初めて解明する研究課題―
小目標(2)：
巨大BHの進化と銀河系中心の活動（ガスの輸送機構）の解明につながる中心核で回転する内部バー構造の存在解明

中心核バルジ超高速度星？
(>～７00km/s)

小目標(1) : 中心核ディスクの軌道構造とミラ型変光星を用いた形成時期の決定

巨大BHによる重力散乱？

バー構造の形成時期

CMZ

CMZから中心部へのガス輸送

隠された星団

ミラ
巨大BH

セファイド

太陽系の移動時期

落ち込む?

ArchesQuintuplet

小目標(3) :中心核ディスク周りの拡がった空間の力学構造とその起源の解明＝＞銀河系誕生期の痕跡または巨大BHの落ち込みの痕跡？

中心核ディスク

超巨大BH (SgrA*)

銀河系中心領域(半径10pc以内)

生まれた場所

半径～(100-300pc)*** 銀河系中心核バルジでの星と星団形成、物理的特徴や多様な天体の探求 ***隠された星団の同定＝＞星の形成史（ディスクからのガスの流入史）

星の位置運動情報から星団の誕生した領域を探る。

超高速度星はどうして存在するのか?

多様な天体の探求:
重力レンズ天体、コンパクト天体等
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>100億年前

天の川銀河の種が誕生
インフレーション
ビッグバン時期？？？

バー構造の出現

出現前

約10億年

出現後

原始銀河の階層的合体成長

現在

天の川銀河全体への影響

太陽は内部で誕生(!?)→ 惑星形成
内部から外側に大きく に影響!?
移動を開始（！?）
気候変動?
生命進化?
人類誕生?

→ 分野横断型
学際研究へ発展

内部バー形成⇒巨大BH成長⇒内部バー消失？

古典的バルジ

銀河中心考古学イベント①

中心部での最初の星形成 古典的バルジ形成（現在も中心部に残存？）

巨大BHの合体成長？
小目標(3)

銀河中心考古学イベント②

銀河中心考古学イベント③

小目標(1)

小目標(2)

中心核ディスクの不安定性
 爆発的星形成（スターバースト）
 内部バー形成
 中心核ディスク形成
 巨大BHへのガス供給(バーの年齢 ≒ 中心核ディスク年齢)  内部バーの破壊？（共進化？）
バー形成による急激なガス流入

中心核バルジの星の位置・速度の観測から3大イベントの解明を目指す。

オリジナル版
馬場淳一作

★銀河中心考古学のためのデータカタログ概要（プロジェクトサーベイ）･Hwバンド(1.1～1.7 μm)の波長域における撮像観測（ 国産赤外線検出器を搭載の場合は変更）･同じ星に対して約100分に1回の高頻度観測･天体の天球面上での位置の時間変動（時系列データ）と そこから導かれる年周視差と固有運動等の位置天文パラメータの情報等をカタログとして公開。
観測領域〇サーベイ領域：

プロジェクトサーベイ：
銀河系中心核バルジ方向の領域 春と秋に観測*領域１＝＞ 半径0.7度程度の円の領域（中心核バルジの半径～300光年程度に相当）*領域2＝＞銀経－2 度～0.7、銀緯0.0度～0.3度（中心核ディスク半径～900光年程度、高さ100光年程度に相当）〇観測精度（目標）Hw<12.5等級の星
年周視差精度：25マイクロ秒角以下(銀河中心での距離の誤差が20%以下）
固有運動精度：25マイクロ秒角/年以下(銀河中心での接線速度の誤差が1km/s以下）
12.5等級<Hw<15等級の星
固有運動精度：25～125マイクロ秒角/年以下〇観測個数(見込み）
バルジの星：67,000個（うち7,100個 Hw<12.5)
ディスクの星：31,000個（うち4,900個 Hw<12.5)

J, H, K tricolor composite image of the Galactic center area(imagedby SIRIUS on the Nagoya University IRSF 1.4m telescope:
Nishiyama et al., 2004 Spring Astronomical Society Press Release).
The survey area of Small-JASMINE is written with the green line.

科学目標3と期待される成果 参照：河原氏のポスター講演（ｇ04－09）
赤外線位置天文観測で達成される高精度な測光能力を活かした時間軸天文観測により、生命居住可能領域にある地球に似た惑星を探査する。
トランジット観測によるM型星周りのハビタブルゾーンにある地球型惑星の探査
JASMINEチームと独立なサイエンス検討チームの立ち上げ（データ解析ソフトウェアの開発は協同で行っている）
河原 創（東大）＋Exo JASMINE検討チーム（増田賢人（阪大)、小玉貴則(東大)、葛原昌行、大宮正士、小谷隆行（ABC/NAOJ）、平野 照幸（東工大）
福井曉彦(東大）、山田亨(ISAS) (敬称略））

Credit:天文普及研究会＊小型JASMINEの位置天文観測の性能があれば、発見できる可能性あり！
他の衛星プロジェクトより有利性あり＊日本で衛星による系外惑星探査観測は初めて！

24

2-3 JASMINEで成果が期待できる、 国内外の多数の研究者の協力を得て、White Paperの投稿準備中
その他の様々なサイエンスケース（河田氏（UCL)を中心に取りまとめ中）
１．中心方向以外の銀河面探査 銀河面にある恒星系の化学動力学
２．中心領域でのブラックホール探査
位置天文学的なBH連星系の検出とBHの質量決定、位置天文学的重力レンズ効果を用いたBHや中間質量BHの発見

3．系外惑星の探査
既知惑星のトランジットタイミングの精密測定による質量推定・トランジット暦の精密決定、位置天文学的惑星探査

4．中心領域での共生星X線連星の探求
共生星X線連星の正体判別によるX線の銀河面リッジ放射の点源の種族制限

5．星間吸収物質と磁場構造の3次元分布
6．高エネルギー天体連星（X線連星系やγ線連星系）のコンパクト天体の探求軌道要素解析によるコンパクト天体の質量、公転面軌道等の決定
7．恒星表面活動の探求黒点、フレアの表面活動現象の時間的変化、星震学
8.高速度星の起源とSgrA*周りのS-starsの起源
超高速度星の発見と軌跡を遡ることによる起源の探求、S-starsの起源の研究

9. その他：崩壊した球状星団探査、近傍の矮小銀河、太陽系内天体、重力波等 25

天の川銀河の“探査”時代

JASMINEは、高精度位置天文天の川銀河サーベイデータが2020年代に出揃い、観測で、天の川銀河の中心核に天の川銀河天文学が黄金期をむかえる！！
世界で初めて“乗り込む”！！
２０１０

２０２０

Gaia
（2013-25？）

２０３０

２０４０

JASMINE

Gaia Final Full Data
Release（2028?）Time-series data

Gaia （1,623 papers/year) Final data
release による論文大量発生の波に乗る。

Subaru/PFS SIP での銀河中心フォローアップ（SSP 2022-27）
SDSS-V Milky Way Mapper（2020-25）

地上NIR-MOSによる銀河中心領域の視線速度、金属量情報などが出そろう。
固有運動情報を黄金期のコミュニティーに提供。

VLT/MOONS (2020- ), VISTA 4MOST (2022-)＊SIP: Subaru Intensive Program＊SSP: Subaru Strategic Program＊NIR-MOS: Near infrared-Multi-Object
Spectrograph

JASMINEは世界初の赤外位置天文学衛星として、サイエンスを切り開くことで、GaiaNIR を後押し

GaiaNIR（2045?-）

Exo-JASMINEと他のプロジェクトとの連携
Exo-JASMINE：ハビタブルゾーンにある地球型惑星の“探査”！！
２０１０

２０２０

JASMINE発見天体の分
光観測による大気検出

２０３０

JWST 6.5m（２０２１-？）

２０４０（目標寿命10年)
JWST, ARIELの両方の分光によ（4年)
ARIEL ~1m専用（２０２８-）

地上探査発見天体の宇宙からのフォローアップ
Spitzer（２０03-2020）

る追観測ができる可能性がある。

JASMINE（3.5年)
CHEOPS (2019-)

Spaceからのトランジット・フォローアップ観測の空白を埋められる

2-4 JASMINEのミッション概要

参照：片坐氏、宇都宮氏、鹿島氏、間瀬氏、上田氏のポスター講演(g04-01～g04-05)○JASMINEの仕様案（今までのベースライン）今までの検討に加えて、国産赤外線検出器搭載を視野にいれて詳細検討を開始
主鏡口径：30cm、焦点距離： 3.9m
＊国産赤外線検出器に関する
視野面積：0.6度×0.6度
アストロメトリ用検出器：HgCdTe（4k×4k)1個 H4RG(Teledyne社） 参照：
中屋氏のポスター講演(Pa.19)
アストロメトリ用観測波長：Hw-band(1.1～1.7ミクロン） （TBD)
衛星重量：約550kg＊H4RGの搭載は米国での予算獲得が条件〇観測データは、天体の天球面上での位置および測光の時系列データ、およびそれを解析した、天体毎の年周視差、固有運動なども提供。
〇時系列データは、約50分間の連続撮像、その後約50分間の非観測時間、そして再度約50分間の連続撮像データ。観測の総時間までそれが繰り返される。
〇観測期間：3年間程度
銀河中心方向の観測領域〇軌道：太陽同期軌道（高度約550km以上)(tentative)

J, H, K tricolor composite image of the Galactic center area(imaged by SIRIUS
on the Nagoya University IRSF 1.4m telescope: Nishiyama et al.,2004 Spring Astronomical Society Press Release).
The survey area of Small-JASMINE is written with the green line.

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2-525マイクロ秒角という微細な角度の精度をどうやって達成できるのか？

＊東京から見て、100km先にある、富士山頂に立っている人の髪の毛1本の太さの約0.15倍を見込む角度 参照：矢野氏、辰巳氏、山田氏のポスター講演(g04-06～g04-08)

研究者コミュニティ（JASMINE★データ解析の工夫と安定な装置の開発 consortiumのデータ解析WG)
によりEnd-to-end simulatorがキー：多数回撮像：同じ星や同じ星同士のペアが開発中！！
検出器上の異なった場所で撮像される。

統計誤差の減少JASMINEの場合：同じ星に対して約15～60万回の測定

系統誤差の“推定”：Self-Calibration!
＊検出器上の様々な場所での星像＝＞短時間（５０分程度）では星の相対距離は“不変”と見なせる。
＊長時間変動は単独星の動きのモデル化（らせん運動）により解析。

相対位置の変動は、“誤差”としてモデル化（関数形でフィットする）＊Gaiaで、らせん運動が既知な星も用いて校正＊モデル残差をホワイトノイズ化。多数回観測で誤差の減少＝＞適切な誤差配分とモデル化、データ解析により、√N則で達成
しかし、星の観測情報は“有限”誤差が複雑な関数形だと精度良くフィットできない
誤差はなるべく簡単な関数形でモデル化できることが必要

システムに工夫が必要＝＞熱構造安定、指向安定性など 29

★世界のコミュニティとの国際協力（１）国際天文学連合組織委員会からの推薦*IAU Commission A1のpresidentから正式な推薦（2）データ解析に関するGaiaとの密な協力体制*Gaiaのデータ解析チームからの参加(i) アストロメトリデータ解析：ハイデルベルグ大学とドレスデン大学から参加意思表明の正式レター
またDLRからもLOIを受け取っている。
(ii) Photometryデータ解析：バルセロナ大学から参加表明（3）米国チームとのサイエンス、データ解析（＋検出器ユニット開発）に関する協力*米国の研究者チームとのサイエンス協力、データ解析の協力。もしも米国で予算が獲得できた
場合は、検出器boxユニット（検出器、ASIC、熱制御のための検出器box、制御電子回路等）の製作、試験の協力。

（4）ESAによる地上通信局のサポート（サイエンスデータのダウンロード）
宇宙研とESAとの調整が開始している。

（5）中心核バルジ研究での他のプロジェクトとの国際協力*バルジ星の視線速度と元素組成観測：APOGEE-2計画（プロジェクト）
サイエンス連携に関して、小型JASMINEとAPOGEE-2, SDSS-IVとでMOUを締結。
*他の分光、測光観測とも連携を進める(MWM, MOONS, GALACTICNUCLEOUS, VVV等）
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★ JASMINE Consortium (JC)

＊河田氏(UCL)が代表

研究者有志により組織され、科学目標達成に向けてのシミュレーションデータなどを使ってのサイエンス準備、データ解析開発、アウトリーチ活動が目的

Working Group• WG-A: Data Analysis
ミッション目標に向けたより多くのサイエンスに有益なカタログ作りの準備• WG-B: Science Validation and Preparation
科学目標達成に向けてのシミュレーションデータなどを使っての準備• WG-C: Outreach
JASMINEの成果を広く社会に還元するためのアウトリーチ活動

打ち上げ前の準備：
シミュレーションデータや、Gaia などのすでに存在するデータを使って科学的検証を行う。また、論文発表を行う。

衛星打ち上げ後準備した体制を元に、データ公開に向けて、データカタログ、Science Validation の論文などの作成を行う。
アーリーキャリアの方達にも多く参加して頂いて、衛星プロジェクトへの貢献を通して、キャリア形成に繋げていただきたい。また、その支援もコンソーシアムとして、行なっていきたい。

第２回の公開JCミーティング2020年11月24,25日＠zoomを開催
多分野（太陽系内天体から重力波検出）にわたるサイエンス発表が行われた。
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★おわりに位置天文観測：地味だが。。。
距離をはかる営み：人類の認識の拡大星の（天球面上での）地図と運動天の川の謎や巨大ブラックホールをはじめ様々な天体の謎が解き明かされていく。

天の川銀河の詳細かつ精密な“探査”時代
JASMINE：中心核へ“突入”
Exo-JASMINE:生命居住可能地帯にある地球型惑星の発見
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生命探査へJasmine
JASMINEへのご支援をよろしくお願いします！