1

大型X線天文台Athena

松本浩典（大阪大）
山崎典子, 山口弘悦, 前田良知, 海老沢研(ISAS/JAXA), 満田和久(NAOJ), 篠崎慶亮(JAXA), 太田直美(奈良女子大), 馬場彩(東京大), 上田佳宏(京都大), 寺島雄一,粟木久光(愛媛大), 坪井陽子 (中央大), 江副 祐一郎, 石川久美 (都立大),
三石郁之 (名古屋大), 深沢泰司(広島大), 鶴剛(京都大), 常深博(大阪大学), 佐2021/9/7 寺田幸功(埼玉大), 他 Athena
光赤天連シンポジウム
藤浩介,
所内検討チームAthena とは

2

X線天文衛星: ESA 大型計画2号機に採択 (2014)

2030年代初頭打上げ

開発
欧州主導+日米2021/9/7

光赤天連シンポジウム

Athena

312 m
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

X線望遠鏡

X線望遠鏡Silicon Pore Optics

大有効面積2> 1.4 𝑚
高角度分解能5秒角(ひとみ、XRISM ~1分角)
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

∼3𝑚

4×678

Athena

検出器2つ
X-IFU & WFI
2021/9/7

12 m
光赤天連シンポジウム

5

X-IFU:X線TESマイクロカロリメーター

6

X-ray Integral Field Unit (X-IFU)
冷凍機+デュワー

精密撮像分光Δ𝐸 ∼ 2.5 𝑒𝑉3840 pix(ひとみ、XRISM
36 pix, 4 eV)
2021/9/7

TESカロリメーター
アレイ

光赤天連シンポジウム

WFI:DEPFET Si検出器
Wide Field Imager (WFI)

広視野
40‘×40’分光 Δ𝐸~130 eV
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

7Athena’s innovation
大面積

最も精密な撮像分光観測©D. Barret & M. Guainazzi

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

広く深いX線サーベイ

89

学術的意義

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

2030年代: 大型観測装置時代

10各波長の大型観測装置と比肩してX線観測を担当
世界で唯一の確定した大型X線天文台
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

サイエンステーマ• キーサイエンス– “Hot Universe”：銀河団成長• バリオンの大規模構造への集積– “Energetic Universe”：巨大BH成長• 巨大ブラックホールの成長と周辺へのフィードバック• 2030年代のX線 Observatory– その時代Chandra, XMM-Newtonはない
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

11バリオンの進化を解明する

𝒛 ∼ 𝟎 現在の銀河団

𝒛 ∼ 𝟐 最初の銀河団

12

集積

お互いに制御再電離𝒛∼𝟏−𝟒

2021/9/7𝒛 ∼ 𝟎 静かなBH

光赤天連シンポジウム

フィードバック

バリオン集積𝒛 > 𝟔 巨大BHの種

銀河団
重力束縛された最大の構造

銀河団バリオンの主成分はX線ガス

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

13どのように高温になった？

14

エネルギー生成史の解明
熱エネルギー (温度)
非熱的エネルギー (乱流、バルク運動)
超新星による注入 (重元素組成)

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

精密分光→ガスの温度、密度、重元素
𝐿𝑋 = 1044 𝑒𝑟𝑔Τ𝑠, kT = 3 𝑘𝑒𝑉, 𝑧 = 1, 観測150 ks

X-IFU

XRISM

2021/9/7

光赤天連シンポジウム15精密分光→非熱的運動

16

バルク運動

乱流

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

ミッシングバリオン
バリオン割合17

温かいガス？
(WHIM)
Warm-Hot Intergalactic Medium

105 ~107 𝐾
10−6 ∼ 10−4 𝑐𝑚−3
銀河団周辺

2021/9/7

光赤天連シンポジウム
Nicastro et al.
2017

精密分光→低密度の極限へ

18

WHIM,
ローカルホットバブル、銀河系ハロー

WHIMが存在→酸素特性X線

物理状態を決定2021/9/7

Hattori et al. 2017, PASJ, 69, 39

光赤天連シンポジウム

19

ひとみ、XRISM→Athena
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

ひとみ、XRISM→Athena20

大有効面積化

2021/9/7

光赤天連シンポジウムひとみ, XRISM→Athena21

角度分解能 16 倍向上
AthenaX-IFU
ひとみ、XRISM

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

22

ひとみ、XRISM
近傍の明るい天体

Athena遠方の暗い天体

Athena で“時間軸”を加える

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

23

日本の参加

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

日本の参加の目的• ひとみ、XRISMの成果に基づき、Athenaの科学成果を最大化する• ハードウェア開発に協力し、Athenaを確実に実現する

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

24Athena 科学成果最大化

25

XRISM でX線精密分光学の基礎を築く
例: 解析手法の確立、原子過程計算精度向上など
例 Hitomi collaboration, 2018, PASJ, 70, 12

新しいサイエンスを創出する
そしてAthenaで発展させる
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

Athena Science Study Team & WG

26

ESA Athena Science Study Team (ASST)
M. Guainazzi (Chair), D. Barret (X-IFU PI), K. Nandra (WFI PI), M. Cappi, E. Costantini, J. Croston, A. Decourchelle, J.W. den Herder, L.
Piro, N. Rea, T. Reiprich, N. Werner, R. Smith (NASA), 松本 (JAXA).
SWG1
Hot Universe
Fabian, Reiprich, 太田(奈良女)SWG2Energetic Universe
Nandra, Cappi, Brenneman

SWG3
Observatory
Decourchelle, 松本, Smith

TWG4Telescope
Willingale, Pareschi

MWG5
Mission Performanceden Herder, Piro, Rau

SWG1.1
Evolution of galaxy group andclusters
Allen, 佐藤 (埼玉大),
Pointecouteau
SWG1.2Astrophysics of galaxy groupand clusters
Ettori, Pratt, Eckert
SWG1.3AGN feedback in galaxy groupand clusters
Croston, Sanders, McNamara
SWG1.4
Missing baryons and warm-hot
intergalactic medium
Kaastra, Finoguenov

SWG2.1
Formation and growth of earliest
SMBH
Aird, Comastri
SWG2.2
Understanding the build-up ofSMBH and galaxies
Georgakakis, Carrera, 上田 (京大)
SWG2.3
Feedback in local AGN and star
forming galaxies
Ponti, Ptak, 寺島(愛媛大)SWG2.4Close environments of SMBH
Dovciak, Matt, Miniutti
SWG2.5
Physics of accretion
Done, Miller, Motch
SWG2.6
Luminous extragalactic transientsJonker, O´Brien

SWG3.1
Solar System & exoplanets
Branduardi-Raymont, Güdel
SWG3.2
Star formation and evolution
Rauw, Sciortino
SWG3.3End points of stellar evolution
Bozzo, Schwope
SWG3.4
Supernova remnants &Interstellar medium
馬場(東大), Sasaki
SWG3.5Multiwavelength synergy
Combes, Salvato

粟木(愛媛大)、前田(ISAS)

MWG5.1
Science ground segment
Watson, Webb
MWG5.2
Background
Laurent, Molendi
MWG5.3
Inter-calibration
Burwitz, Pajot, Sembay
MWG5.4End-to-end simulations
Peille, Wilms
MWG5.5
Advanced analysis tools
Fiore, Haberi
MWG5.6
Targets of opportunity
Basa, Troja

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

日本人チェア
ASST: 1名
(米国とほぼ同数)
SWG chair:6名

ハードウェア開発
メイン:

X-IFU冷却系
2K ジュールトムソン冷凍機
日本担当以外に技術的成立解無し

Athena は日本の参加無くして実現しない
その他:
WFI エレキ
望遠鏡コーティング
TES カロリメータ―読み出し など
2021/9/7 (科研費などで活動) 光赤天連シンポジウム

27

戦略性28• X線精密分光– てんま、あすか、すざく、ひとみ、XRISMと日本が発展させたX線分光の決定版• 2030年代の科学者がXRISMの成果をもとに世界に飛躍するチャンス– 観測時間日本枠• 具体的交渉はこれから。特に Key Science への参加権利。
– XRISMの成果を生かせるように。

• 2K JTが重要コンポーネントであることをもとに、金額以上の枠をとるべく努力。
2021/9/7
光赤天連シンポジウム

戦略性29• 冷凍機開発– 衛星上で無冷媒極低温冷却系を使用した、高感度低ノイズ観測• LiteBIRD, SPICAにも共通した日本の強み– 2K JT冷凍機は、日本しかできない• 日本がやらなければ、2030年代のＸ線観測がなくなる。
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

コミュニティでの位置づけ (MP2023より前)30
高エネルギー宇宙物理連絡会
2014年3月高宇連討論会「Athena と同じ規模のものを単独の国が立ち上げることは困難であり，自分たちが行うべきサイエンスのある部分はAthena で実現される。このことから，Athena がその成果を最大限にあげられるように，わが国としても貢献すべきである」
2018年6月高宇連将来計画検討（第二期答申）「高宇連の旗艦ミッションであるXARMと、それに引き続くAthenaは、高宇連の最優先課題として開発・検討が進められている。」

MP2020: 重点大型計画ヒアリング対象
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

31

ステータス

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

Athena statusと今後
Jan. 2021
2021 後半

Spacecraft Interim Review
Science Instrument Module (SIM) Review

2022 前半

Payload and SIM System Requirement
Review (SRR)
Mission and Spacecraft SRR

2022 後半
2022 夏Definition Study Report(aka Red book)2022 終盤

Mission Adoption Review

2023以降2030年代前半

Implementation phase (約10年)
Launch2021/9/7

光赤天連シンポジウム

32日本側のstatus

Athena ここ！
(PrePhase A1b)

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

33

Mission Adoption in 2022
2022年終盤
ここでAthenaの全容決定
日本のハードウェア貢献も決定
それ以降 implementation
これからが日本のフェーズアップ・予算獲得に向けて最も大切な時期
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

34

所要経費

35

Athena 全体
ESA 1B€、ESA加盟国350M€＋米国 100M€、日本30~50M€
日本の担当が2K-JTのみなら ~ 30億円
(他 WFI エレキ等も含めると~50億円)

2023年~2028年に、本格的な製作
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

36

松本の個人的感想

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

ESAの進め方に対する個人的感想

37• 縦割り行政感が強い– 科学者・機器開発者・計画マネジャー側(ESA)がほぼ分離。
• サイエンスと機器開発の現状のギャップ– 例: X線望遠鏡の角度分解能問題• どれだけの人が全体を把握しているのか？
– 例: 質量オーバー問題

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

望遠鏡角度分解能問題
小さなモジュールの分解能

2021/9/738• 望遠鏡全体で5秒角実現の目途は立っていない。
• しかしこれまで、サイエンス側は、5秒角の要求を緩めなかった。
• 望遠鏡は完全にESAの管轄。科学者側に望遠鏡開発現場を良く知る人が少なく、逆もまた然り。
• 科学者側は、Science Study Team
meetingで開発の報告を聞いていたが、常に楽観的だった。
• Mission Adoptionが近づいてきたいま、ようやく要求値を緩和させる可能性を議論中

光赤天連シンポジウム

SIM質量問題
Science Instrument Module (SIM) ~2500 kg

先日 SIM review があり、質量超過が問題になった
2021/9/7

光赤天連シンポジウム39SIM質量問題
ESA側から各consortium宛に、質量削減案が投げかけられた
X-IFU 327 kg から74 kg減
WFI 307 kg から 32 kg減
JT 2K 166 kg から 13 kg現
ただし、削減案の根拠などの十分な説明はなし。
各consortiumは困惑している模様。
個人的には、全体を見渡してみんなでどうにかしよう、という雰囲気をあまり感じない。
2021/9/7

光赤天連シンポジウム

40

国内コミュニティ

41• 重要なミッションだが、日本のものではない。
• ハードウェア開発で、多くの人がうるおうミッションではない。
– ハードウェアで若手を育てる場にはなりにくい– 一方で、サイエンス的には日本の方向性とマッチ• 「2030年代」をいまだに遠く感じる人も多い。
– Athenaが採択された2014年ではそうだったが… implementation phaseが目の前に来ているが。

• コミュニティの中では、重要性は理解されている。しかし、「我が事」であるという雰囲気は十分とはいえない。
– ひとみやXRISMと同時に走っていることも大きな要因の一つ。

2021/9/7

光赤天連シンポジウム

422021/9/7

光赤天連シンポジウム