筑波⼤学宇宙史研究センター2022年度成果報告会

ロケット実験CIBER-2による宇宙⾚外線背景放射の観測
松浦 周⼆（関⻄学院⼤学）
CIBER collaboration
Japan (関学, 九⼯⼤, 東京都市⼤, ABC, JAXA)US (RIT, Caltech, UC Irvine)
Korea (KASI), Taiwan (ASIAA)

⾃⼰紹介
1999年より15年間JAXA宇宙科学研究所に勤務• あかり衛星, はやぶさ2, ロケット実験CIBERなど宇宙機搭載機器の開発
2015年より関学着任，2021年より理学部 物理・宇宙学科• CIBER-2, COBANDロケット実験ほか，衛星や探査機による宇宙⾚外線背景放射観測プロジェクトを推進

関⻄学院⼤学 神⼾三⽥キャンパス

兵庫県三⽥市学園上ヶ原1番

宇宙史の概観
宇宙創成
宇宙の晴れ
ビッグバン あがり

初代天体の誕⽣・宇宙再電離

宇宙望遠鏡

138億年

現在の宇宙宇宙初期の天体を⾚外線で⾒つける
p 𝑧 > 10 の初期天体による紫外線は⾚外線として観測される
p 銀河間ガス(⽔素ライマン端)吸収による急峻なスペクトル

初期天体
紫外線

現在
⾚外線星の明るさ

初代星のスペクトル（理論予測）

銀河間ガスによる吸収0.1110100波⻑ [μm]Cooray &Yoshida 2004, MNRAS, 351, L71, Santos et al. 2002, MNRAS, 336, 1082

初代星の個別検出は今のところ難しい• z >10の銀河(近⾚外Ly break)は HST+Spitzer, JWST により発⾒された• 橋本拓也さんらにより ALMAで z >10 銀河の[OIII]輝線が検出された• ただし初代星 (AB > 35mag) の個別検出はHSTやJWSTでも難しい
HST

JWST

JWSTにより発⾒された z >10 銀河の⾚外線スペクトル
Castellano et al., ApJ 938, L15 (2022)

点源に分解できない天体を背景光としてとらえる
𝑐 0.007𝑐 ! 𝜌" Δ𝑋&𝐼=4𝜋
1 + 𝑧#
𝜌! Δ𝑋：total metal production

IGM

初代星& BHs(z=15？)CMB
晴れ上り
z= 1100

現在(z=0)

個別の天体として暗くても多数あつまれば⾒える
Hubble Deep Field

宇宙背景放射の観測

可視近⾚外域のEBL (Extragalactic Background Light)
基本的には銀河(点源)の宇宙初期までの⾜し合わせ (銀河積算光)による
It’s All Stars!

Figure courtesy Subaru Telescope

点源分解できない拡散光源があれば銀河積算光からの輝度超過が観測される

これまでの近⾚外EBL観測
は⽇本が主導してきた
銀河積算光より明るい（輝度超過）• 等⽅な⻩道光・銀河光• 銀河ハロー星(IHL)• 未発⾒の矮⼩銀河• 再電離期(EoR) 

近⾚外域の宇宙背景放射 – 超過成分の存在      !



" #$% &$!
'()*&+ ,(#-!
'()*&+ .(輝度超過

系外銀河の積算光(既知のEBL)



未知天体の寄与 /0

可視光のEBLにも超過が⾒つかった• New Horizons (R = 51.3 AU)• ⻩道光寄与がない観測• 銀河積算光の >2 倍明るい

Leuer et al. ApJL 2022

– NIRの結果と同様
CIBER

HSTアーカイブデータによるEBL測定• SKYSURF project(PI: R. Wondhorst, U. Arizona)• HST F125W,F140W, F160W
7年間のデータ⾯輝度測定• 銀河積算光の寄与が⼩さい(AB <26magの星や銀河を除去)• ⼤きなEBL輝度超過– CIBERと⽭盾がない結果
SKYSURF-2Carleton et al. 2022, AJ 164, 170SKYSURF-4
O’Brien et al. 2022, arXiv:2210.08010

EBLの⾮等⽅性にも超過あり• CIBER実験によるEBLの⾮等⽅性（空間的な強度ゆらぎ）の観測• 星や銀河を除去後の強度マップのゆらぎパワースペクトル• 系外銀河によるゆらぎに対して⼤⾓度スケールで超過NASA Sounding Rocket
Two-stage Terrier-Black Brant IX

large-scale(>3 arcmin)

Small-scale(Shot noise)

1 deg
⼤⾓度成分のみ抽出したマップ

Zemcov et al., Science 2014

EBL ⾮等⽅性の波⻑依存性Results from Spitzer, AKARI & CIBER• Rayleigh-Jeans like spectrum• No significant Lyman break of early objects• Similar to red (old) stellar populations
à Intrahalo light ?

Zemcov et al., Science 2014Intra-halo Light (Stars between galaxies)

初代星なのか？
さまざまな理論モデルとの⽐較

CIBERほかで⾒つかった近⾚外EBL超過スペクトルのモデル⽐較• Ly breakと似たスペクトル形状• 初代星による説明は難しい⾼輝度Ø バリオン・重元素過剰の問題

Yue et al. (2013)n エネルギー効率の⾼いブラックホールならば可能

Helgason et al. (2016)

初期のブラックホール？
• CIB-CXB 相関パワースペクトル (Spitzer x Chandra)• 宇宙初期の直接崩壊型ブラックホールならば説明可能とする説• 重⼒波源として考えられている原始ブラックホールも寄与する可能性

Cappelluti et al. (2017), Yu et al. (2013)

近傍に⼤量のBH (mini-quasars)が存在?

AB >30 mag の未同定点源(FCO)が可視近⾚外EBL超過の原因か
JWSTほかによる点源ディープサーベイとIPSTによるEBLの精密測定の両⾯から解明する新ロケット実験 CIBER-2 の仕様
近⾚外超過の起源解明• 可視域波⻑拡⼤ (0.5 - 2 µm)• ゆらぎ撮像観測 (6 bands)• 粗い分光観測 (LVF)• CIBERより10倍⾼い感度
upgrade10 cm 望遠鏡
2 バンド 撮像
プリズム 分光
FoV 2 deg sq.
分解能 7” /pix

30 cm 望遠鏡
6 バンド 撮像
LVF 分光
FoV 2.3 deg sq.
分解能 4” /pix

CIBER-2 観測装置
15m

HAWAII-2RG
2k x 2k HgCdTe
⾚外検出器

ペイロード

液体窒素
冷却
観測機器
1.2m

Black Brant
VC MK1Terrier MK70

アルミ合⾦製 30cm RC 望遠鏡

広視野 (FoV 2.3度) カメラ光学系

CIBER-2の測光バンドM SL      !

ダイクロイック・ビームスプリッターにより３つの波⻑域に分割
" #$% &$!
'()*&+ ,(#-!
'()*&+ .(L 1.6-2.0 µm

望遠鏡

S 0.5-0.9 µm
M 1.0-1.5 µm
検出器⾯のフィルターで波⻑をさらに２分割し計６波⻑バンドを構成











 /0

打上げまでの経過
2019年
装置完成，ペイロードの振動試験 @NASA Wallops Flight Facility
不具合発⽣ → 拠点をCaltechからRITへ移設，振動対策・改修
2020年
振動試験で再度の不具合と改修を経て合格，打上げ承認
3⽉ 打上げ基地 (WSMR - White Sands Missile Range) へ輸送したがCOVID-19により基地閉鎖, 装置は基地で 1年以上の塩漬け状態
2021年
基地の再開，打上げ承認
5⽉ 打上げ作業のためWSMRへ展開
2021年6⽉7⽇ 0:25 (US MDT) 第1回打上げ成功

問題の振動試験
CIBER-2 V-test at NASA/WFF
クライオハーネスの破損による不具合
加振機搭載
フライト
モード組⽴

XYZ 13 Grms

最終光学試験・感度較正p 感度較正を担当する⽇本チームは現地参加できず
p Slackによる⽇本〜現地の徹夜やりとりで対応

打上げ
2021年6⽉7⽇ 0:25 (US MDT) 第1回打上げ成功

⽇本から送った
⾶⾏神社の御守り札

フライトシーケンス• 打上げ後ペイロード分離• 蓋開け・観測・蓋閉め• パラシュート降下・着陸• 装置ヘリコプター回収

最高高度
320 km
ふたあけ
観測開始

観測時間
約6分間

観測終了
ふたしめ
パラシュート降下

2段目切り離し1段目切り離し打上げ装置回収観測天域• CIBER観測域を指向観測 (⾼銀緯, ⾼⻩緯, 低シラス)• 各検出器に視野分割した２つのバンドフィルタ
2波⻑分割àディザーにより同⼀天域を全バンドで観測
フィルター

LVF

検出器

星による結像状態の確認
フライト中に観測された星像サイズから打上げ前後で性能劣化がないことを確認

Before launch

After launch

Wide band channel

LVF channel

観測データに⾒られた様々な異常すべての検出器の正常動作を確認，ただし多くの課題• ロケット筐体からの熱放射とそれによる迷光・ゴースト• 多数のバッドピクセル (Arm-L)• 信号処理回路の電磁⼲渉ノイズ
光電流画像 @ SWIRE ELAIS-N1 field
Arm-S: 0.5-0.9 µm バンド
0.6 µm

0.8 µm

熱放射の寄与観測装置の改修内容
TDで破損した部品は全て再製作済み
主要な改修課題：
1) ロケット筐体からの熱放射とそれによる迷光・ゴースト
ü > 2.5 µm 熱放射カットフィルタ(OD >4) の追加製作
ü バッフル周辺の⿊⾊塗装・光学系に遮光シールド追加
2) 多数のバッドピクセル (Arm-L)
ü 検出器の交換 (Teledyneによる補償)
3) 信号処理回路の電磁⼲渉ノイズ
ü グラウンド⾒直し・読出し⽅法改良4) 望遠鏡ミラーの修理加⼯ü 追加切削・銀合⾦コートの施⼯完了フィルターリークによる熱放射の混⼊

⼤きく改善光学系(⽇本が開発担当)の改修 @RIT

レンズ光学系の分解・熱⾚外カットフィルタの交換完了

液体窒素タンクへ再組み付け

表⾯劣化した望遠鏡ミラーの修理加⼯
望遠鏡アルミ合⾦ミラーの著しい経年劣化• コート材である銀のガルバニック腐⾷または銀凝集による⾯粗化の可能性
改修⽅法• 表⾯の切削加⼯，コート剥がし• 耐⾷性に優れる銀合⾦コート (コベルコ科研) に変更
銀合⾦サンプル

表⾯のコートが劣化した主鏡

アルミ合⾦ミラーの切削• BBM主鏡を⽤いた切削加⼯精度の確認• FM主副鏡の本加⼯を実施• ⼲渉計+CGHによる⾯精度測定
および 3D 形状 (曲率) 測定• 仕様 (< 1l p-v) を確認• 11⽉に関学へ納品完了

⼲渉計による⾯精度計測

地上感度較正システムの改訂
ü JAXA/ISAS共同利⽤ ⾼温⿊体炉を⽤いた分光器の絶対感度較正ü CIBER-2の較正⽤⿊体炉のスペクトルを較正済み分光器で測定
ü 放射強度を 1%以内 の確度で測定できることを確認

CIBER-2の較正に用いる黒体炉 (関学所有) を
較正済み分光器で測定しプランク分布と比較

p CIBER-2の較正⽤積分球の透過率測定値と合わせて再較正
p 系統誤差 3%以下の絶対値較正を⽬指す
2021年ホワイトサンズ実験場での較正実験
開口径330mm積分球

分光器較正実験のセットアップ @ISAS
環境温度モニター

CIBER-2

黒体炉(< 1350K)
較正するファイバー分光器
バッフル付きコサインコレクター

プロジェクト予定
第２回実験実施の道のり
p 2022年11⽉初旬に望遠鏡の改修完了・アメリカへ輸出
l ⽇本チームがRITへ出向き，望遠鏡の常温試験・光学調整，観測装置の再組み⽴てp 改修した検出器と電気回路を⽤いた低温光学試験を準備中
l 焦点調整と光学試験のサイクル
l 予備感度較正l 熱放射評価のダーク試験

p 2023年1⽉中に装置完成
p 2023年2⽉~ NASA/WFF, WSMRへ展開
l 振動試験, 感度較正, 搭載試験

p 打上げ(2023年4⽉予定)

現在の状況
• 関学⽣４名がRITにて実験作業従事中• 今週から低温光学試験開始
組み立て

望遠鏡単体の常温光学試験（受入れ検査）

光学窓をつけて真空引き中

CIBER-2 continues ...