ガンマ線バーストを用いた
初期宇宙探査計画

HiZ-GUNDAM
High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission

HiZ-GUNDAM WG メンバー
主査：米徳大輔（金沢大学）
2014年度 光学赤外線天文連絡会シンポジウム 2014/09/08-10 @ 国立天文台

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2012年4月5日に小型科学衛星WGとして発足■ X線・ガンマ線検出器
米徳大輔（金沢大）、三原建弘（理研）、澤野達也（金沢大）、河合誠之（東工大）、池田博一（ISAS/JAXA）、黒澤俊介（東北大）、郡司修一（山形大）、坂本貴紀（青山学院大）、芹野素子（理研）、谷森達（京都大）、村上敏夫（金沢大）、谷津陽一（東工大）、山岡和貴（青山学院大）、吉田篤正（青山学院大）、Neil Gherels (NASA/GSFC)■ 赤外線望遠鏡
川端弘治、 吉田道利 （広島大）、松浦周二（ISAS/JAXA）、津村耕司（東北大）、松本敏雄（台湾中央研究院）、白籏麻衣、柳澤顕史、沖田博文（天文台）、本原顕太郎（東大）
アドバイザ： 金田英宏（名古屋大）、和田武彦（ISAS/JAXA）■ 理論検討浅野勝晃（宇宙線研）、井岡邦仁（高エネ研）、井上進（宇宙線研）、川中宣太（東京大）、諏訪雄大（京都大）、高橋慶太郎（熊本大）、當真賢二（東北大）、戸谷友則（東京大）、長倉洋樹（京都大）、長滝重博（理研）、中村卓史（京都大）、新納悠（国立天文台）、水田晃（理研）、山崎了（青山学院大）、横山順一（東京大）■ 衛星システム検討
坂井真一郎（ISAS/JAXA）

42名／20機関
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宇宙の誕生と進化

z=7z=0z ～20z = 1089

天文学全体にわたって、宇宙で最初の星が生まれた頃の初期宇宙を探査し、宇宙進化を解き明かす事が大きな目標となっている。
特にz > 7 の頃は、第一世代星の誕生、宇宙再電離、重元素合成、3
宇宙最初のブラックホールの誕生など重要課題が多い

TMT の目指すサイエンス
http://tmt.nao.ac.jp/about/science.html

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小型科学衛星 HiZ-GUNDAM の観測の流れ(1) Ｘ線によるGRB 検出と発生情報の通報(2) 自律制御で姿勢を変更し、近赤外線で追観測を開始(3) 「詳細な方向 」と「赤方偏移(high-z であること z>7)」を通報
ここまでがミッションの範囲。その後、(4) 大型望遠鏡と協力して z>7 の高分散スペクトルを取得

高赤方偏移に対応するため、X線と近赤外線の融合が特徴
X線イメージング検出器
視野１ステラジアン
角度分解能5～10分角
Si + コーデッドマスク(1 – 20 keV)
30cm 可視・近赤外線望遠鏡（視野34分角）
可視光 (0.4 – 0.85μm) 2バンド測光
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近赤外 (0.85 – 1.7μm) 2バンド測光

GRB のスペクトル形状を考慮した感度計算
平均的な光子指数 α ~ -1, β ~ -2.5

視野 1 ステラジアン, 1 – 20 keV∝ Eα

100cm2(CXB+Ridge)

8σ 検出100cm2 (CXB)∝ Eβ1000cm2(CXB+Ridge)
1000cm2 (CXB)

νFν

ピークエネルギー (Ep)Ep < 10keV の GRB (＋ XRF などの突発天体)に対して、Swift よりも約１桁程度良い感度

Swift/BAT
5200cm2
15-150 keV

イメージングトリガーの場合はもう１桁程度、良い感度となるだろう

検出器の最適化が必要
100 cm2 の狭視野を複数？
1000 cm2 を１つ？

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赤方偏移 z=7 で発生した GRB の期待される残光光度曲線
TAO, Subaru

Based onKann et al. 2011

Okita (2014)の計算より

大型望遠鏡の分光感度
JWST, TMT
Subaru MOIRCS (1hr, 5s)
TAO SWIMS (1 hr, 5s)

2nd alertHigh-z GRB の可能性を判定
この時点での明るさを測定

090423@z=8.26

要求される感度は近赤外線 ~ 20 mag (AB) の検出感度
GRB発生から 15 分以内の2nd alert

1st アラート
GRB 発生と方向10秒

JWST NIRISS (104s, 10s)
TMT IRIS (5hrs, 10s)
JWST NIRspec (104s, 10s)

15 分7

地上近赤外線観測の例
GROND

15min

2.2m MPI/ESO 望遠鏡
La Silla Observatory (チリ)2009 – 2013 年
GRB の報告数

573

GROND の観測数 152 (全体の26.5%)
15分以内の観測

24 (全体の4.2%)

リアルタイム追観測の割合：
夜時間1/3, 北/南半球1/2, 他の観測, 天候 < 1/6 (16.7 %)20mag(AB)/3分露光 ＝ 3～4メートル級の近赤外線望遠鏡

High-z GRB を見逃さないためには、人工衛星上に直径 30cm の近赤外線望遠鏡を搭載し、系統的に (～100%) 追観測する意義は高い
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口径 30cm・CIBER-2 と同等の光学系・迷光を避け、広いvisibilityを確保
・副鏡を熱輻射から守れる・副鏡による有効面積のロスが小9高赤方偏移 GRB の検出期待値 = 約 10 event/yr/str
最高赤方偏移の推移（分光観測）
GRB090423 (z=8.26：分光)
GRB090429 (z=9.4：測光)

Swift の観測から
z > 6 が ~ 1 event/yr/str (lower limit)(1) LF からの見積り (Niino 2012)z > 7 が 2.5 ～50 event/yr/str(2) Dark matter halo の進化 (Mao 2012)z > 7 は 16 events/yr/str(3) SFRから (Wanderman & Piran 2010)z > 10 は 3 events/yr/strz > 7 は ~ 10 events/yr/str

通常のlow-z GRBは~100 events/yr/str

観測頻度も高いと予想でき、地上・宇宙の大型望遠鏡に観測の機会を提供できる 10

HiZ-GUNDAM (1.0-1.7 mm)
Exposure Time per Field (min)Limiting Magnitude (AB)Tsumura (2014)の計算より

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混入限界

HiZ-GUNDAM

Survey Area (deg2)

まとめ■ HiZ-GUNDAM : GRB を用いて初期宇宙を探査する計画■ HiZ-GUNDAM は X 線で発見した突発天体に対して、可能な限りフォローアップ観測を行ないたいと考えている。
■ 混入限界 24～25 mag(AB) でモニター・サーベイ観測が可能■ 高宇連コミュニティのロードマップ作成にむけて議論中■ 中国・フランスが 2020年以降の打ち上げを目指して SVOM 衛星を検討しているが、・ Ｘ線検出器の感度 ( HiZ-GUNDAM の方が数倍高い )・ 近赤外線望遠鏡の搭載 ( SVOM は可視光望遠鏡のみ )の観点で、初期宇宙観測の点で優れている※ 地上に 1.2m 近赤外線望遠鏡を設置する計画も含まれるが、スペースにおける 30cm 望遠鏡の方が格段に感度が高い

12議論していただきたいこと■ 光赤天連ロードマップの中に、多波長連携・分野融合型でなければ成し遂げられないようなサイエンスの重要性を明記していただきたい■ 高宇連ロードマップの中に、HiZ-GUNDAM は赤外グループのWGメンバー(＋αを希望)と開発することを含めさせていただきたい■ 高赤方偏移GRB, 特異な突発天体, マルチメッセンジャー天体の追観測を積極的に推進できるような枠組みが必要※ 例えば letter of intent  大型プロジェクトでの議論 letter of commitment■ 大学間連携も大切な観点

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