地球磁気圏X線撮像計画
GEO-X (GEOspace X-ray imager)
江副 祐一郎, 船瀬 龍, 永田 晴紀, 三好 由純, 笠原 慧, 中嶋 大,三石 郁之, 石川 久美, 平賀 純子, 満田 和久, 藤本 正樹, 上野 宗孝,
山崎 敦, 長谷川 洋, 松本 洋介, 川勝 康弘, 岩田 隆浩, 佐原 宏典,
金森 義明, 森下 浩平, 三田 信, GEO-X チーム
2020年3月3日(火) 高宇連研究会 via zoom

計画の背景天文学

地球惑星科学

宇宙プラズマの電磁場を介した挙動「世界初の地球磁気圏X線撮像」 惑星磁気圏の振舞
惑星の大気散逸を目指す超小型衛星

恒星活動に影響を受ける惑星磁気圏の応答 = さまざまな分野を横断するテーマ

GEO-X
数億円だが先端技術で世界トップレベルのサイエンス = >100億円規模の大型衛星と相補的Royal Astronomical Society

太陽科学新分野磁気リコネクション、フレア
コロナ質量放出系外惑星の生命環境
宇宙天気予報2ミッションの意義
地球磁気圏 = 太陽の電磁波, プラズマ, 太陽磁場の放出に影響
2つの側面 = システムの理解, 素過程の理解
時間・空間・エネルギー
飛翔体による「その場」観測= あけぼの, Geotail, あらせ
飛翔体による「俯瞰的な」撮像観測= オーロラ, プラズマ圏(のぞみ),リングカレント…
GEO-X= 磁気圏撮像 (昼側境界面=カスプ, シース,衝撃波)の新手段

Pollock+03 ENA report「システムの理解」「素過程の理解」
太陽-磁気圏-電離圏結合 磁気リコネクション
放射線帯, 大気散逸 …
衝撃波、乱流 …
3

00 km/s)

oton)

地球周辺からのX線
太陽風 電荷交換反応 イベント例

太陽風電荷交換反応 = 1990年代に発見,「すざく」などの観測, 明るい前景放射(e.g., OVII K 輝線フラックス~1-100 LU =ph/s/cm2/str)

すざく OVII band
0.5-0.65 keV
すざく1 day

1-10 keV
ACE proton

ACE O7+

スペクトルモデル
輝線の集合
Fujimoto+07 PASJ, Ezoe+10, 11 PASJ,Ezoe+12 AN, Ishikawa, Ezoe+13 PASJ,Ishi, Ezoe+18 PASJ, Ishi+19 PASJ,
江副 18 天文月報

100

Energy (eV)Sibeck+18 Space Sci. Rev.

1000
4電荷交換 断面積、遷移確率

GEO-X 計画
「X線による磁気圏撮像」
従来、地球周回 & 狭視野(～10-5 str, e.g., すざくXIS)= GEO-X 月付近 & 広視野(～5×10-3 str)
目標(1) 磁気圏外からの観測(2) 磁気圏撮像の実証(3) 磁気圏構造の時間変動

太陽風 (MHD) 外圏密度 (モデル)[eV s-1 cm-3]

磁気赤道面, 50 RE
シース

X線撮像
simulation

カスプ

6 RE
Robertson+06 JGRMiyoshi+19 JpGU

実現すれば, どれも世界初
先鋭的 & 太陽極大期(2022-25) に迅速に打ち上げ = 超小型衛星5ミッション要求
目的項目

要求 (括弧内は 60 RE での値)

理由

軌道月付近(～60 RE),
磁気赤道面付近

地球周辺X線の発光源と考えられる磁気圏外かつシース、カスプを望遠鏡で分離が容易(1) 磁気圏外から地球周辺X線エネルギーバンドを観測

0.3-2 keV (C, N, O, Fe, Ne, Mg)

エネルギー分解能<80 eV @ O6+ Kα 0.6 keV

空間分解能<0.2 RE (<10分角)

カスプ (~3x3 RE @ 60 RE)の約1/10

視野>4 RE 角 (>4° 角)

シース (~5x10 RE)、カスプ(~3x3 RE) サイズ

時間分解能<1 hr (>10 cm2 deg2)

太陽フレア、コロナ質量放出に伴うイベントを S/N 良く検出
(0.1-1 ct/s @ O6+ Kα)>1 yr @ 太陽活動極大

太陽活動極大では年間 ~100
data set (S/N >20 @ 1 hr 積分) 以上を取得可能と見積もり(2) カスプ, シース等の磁気圏構造を可視化(3) 太陽風動圧変動への磁気圏構
造応答ｄを観測期間・時期

軟X線放射であるため

上記輝線のスペクトルでの分離

6

衛星・推進系
月付近の高度 ～40-60 RE(26-38万km)に投入
CubeSat (ISAS 船瀬先生)
12 U, 100 W, ～25 kg
Science data 30 kbps

6U EQULLEUS

Hybrid kick motor (北大永田先生) 燃料(高密度ポリエチレン) & 酸化剤(ガス酸素 or 亜酸化窒素), ～25 kg
Instrument +Total 50 kg = Piggy bag
打ち上げS/C system

H2A/H3 (GTO→HEO)
or SLS2 (月遷移軌道)
or イプシロン (月周回)Hybrid kick motor

Roca+19 Hybrid rocke symposium

7

観測装置
広がったX線感度：>10 cm2 deg2 @ 0.6 keV(すざくXIS) = 時間分解能<1 hr (S/N > 20 @ OVII 25 LU)

G-pixel 400 BSI

Energy band 0.3-2 keV, FOV 4 x 4 deg
角度分解能 <10分角

MEMS 望遠鏡(首都大 江副先生 & ISAS 満田先生)

Φ10 cm, f 25 cm

FWHM 182 eV@ 5.9 keV

Matsushima+19JSASSCMOS 検出器~10 x 10 x 30 cm~10 kg, ~10 W(関東学院大 中嶋)

11 µｍ pix,
2.25 cm□, ~50 fps

GEO-X EM

20 µm

GEO-X BBM

可視光遮光フィルタ(名古屋大 三石先生)
ポリイミド 200 nm + Al 150 nm,
遮光率 10-8

4 cm
10 cm
Ezoe+10 MST, Mitsuishi+16 ASR,
Ishikawa+18 MST

Mitsuishi, Yamaguchi+198

MEMS* 望遠鏡* Micro Electro Mechanical Systems

Si 微細穴構造体を用いた日本独自方式

Ezoe+10 Microsys. Tech.
Ezoe+12 Opt. Lett.
Mitsuishi+12 Sens. Act. A
Ogawa+13 Appl. Opt.
Numazawa+16 JJAP
Ishikawa+17 Microsys. Tech.
Takeuchi+18 Appl. Opt. Editor’s pick
Patent 8, pending 5福島 応物講演奨励賞19

Φ10 cm, f 25 cm, 3 cm2 on-axis

1. 世界最軽量：基板厚さ ~300 µm,穴幅 ~20 µm
2. 低労力：数千枚の鏡を一気に大量生産
3. 低コスト：首都大, ISAS ナノエレ等,インハウス製作

目標 = 回折限界 13秒角 @ 1 keV,
穴幅 20 µm

製作プロセス
1. エッチング (微細穴加工)
2. アニール (平滑化)
3. 高温塑性変形 (集光)4. 原子層堆積法 (Pt 膜付け)
5. 組み立て (Wolter I型光学系)

2019年 JAXA 宇宙科学技術ロードマップ 獲得すべきキー技術

規格化カウント

4. 角度分解能：理想曲面の円錐近似~2 秒角 @ 25 cm

Al Kα 1.49 keV

Wolter I型光学系
鏡重量 ~5 g~4 arcmin

0角度 [分角]1009検出器•

実験室・宇宙研30mビームラインで軟X線撮像分光性能の評価••

CCDに匹敵する分光性能
同シリーズの高放射線耐性素G-pixel
GSENSE400BSI TVISB
Exposure time

0.1 sec

Pixel format

2040(H) × 2048(V)Electric shutter

Rolling shutter

Temperature～25℃

子(400SQBSI-GP2(SP3))、•5月に陽子・重粒子試験@HIMACMn Kα (5.9keV) grade 0 events
Evt. Th.=266ch(515eV相当)

Counts/bin

Caeleste/ELFIS も検討

Al Kα (1.49keV)
grade 0 events
Evt. Th.=140ch(300eV相当)
Split Th.=30ch
ΔE(FWHM) : 132eVc.f. Hitomi SXI113eV(g02346)

ΔE( FWHM) : 182eVc.f. Hitomi SXI179eV(g02346)

Nakajima+20 JSAP

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現状と予定2018年12月に小規模計画 WorkingGroup 発足

ハイブリッドキックモータ増加速度
シミュレーション

開発は順調, 一部 EM 試験も進行中
2019年9月に研究会
太陽活動極大 (cycle 25) が期待される 2022-25年が絶好の機会、最速
2022 打ち上げ
2020 EM, 2021 FM
2022 打ち上げ

Nagata+19
GEOX WS

観測装置ハウジング試作

月周回の超小型衛星 RFIに提出済み
小規模プロジュクトに応募予定
Yamaguchi,
Mitsuishi +19

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まとめ
GEO-X 計画 = 地球磁気圏X線撮像を行う超小型衛星
地球惑星科学と天文学、さらに理工学を越えた分野横断的ミッション
超小型衛星で先鋭的
サイエンス
最適な軌道, 先端機器,打ち上げ時期で世界をリード (e.g., ESA-China

SMILE, 2023年11月)

将来的のさまざまなミッションへ繋げたい

GEO-X

GEO-X

地球磁気圏大型撮像衛星
X線

地球磁気圏X線撮像
最速2022年

太陽系探査
火星大気散逸木星粒子加速超小型天文衛星
占有観測 (my X線衛星)
全天X線モニタ
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