小型衛星パスファインダーによる総合的試験安東正樹 (東京大学理学系研究科物理学教室) DECIGO-WG 新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 小型衛星実験 (1) - 位置付け - DECIGO-PF 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 予備概念設計 R&D・概念設計高度なR＆D・予備設計最終設計・試験・製作観測 DECIGO PF-1 設計・試験・製作観測コレ PF -1 新特定 PF-2 設計・試験・製作 DECIGO 観測 PF -2 LISA LPF ESA単独? LISA 遅れる可能性大 BBO 2020-2025目標 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 2 小型衛星実験 (2) - 概要 - 小型衛星実験 DECIGO実現のためには、各要素技術の地上での入念な試験は不可欠その一方で、実際に宇宙空間でなければ試験できない項目もある小型実験衛星 (DECIGO-PF) で試験衛星のサイズ : 30cm立方, 10kg, 1 機開発期間 : 5年搭載機器 : 基本装置電源装置, レーザー光源とその周波数・強度安定化システム, 温度安定化システム, 計測・通信システム, 衛星の姿勢制御システム等基礎物理実験のための装置ドラッグフリー実験のためのテストマス, レーザー干渉計宇宙空間における基礎技術の総合的な試験と動作検証宇宙空間の安定な環境・レーザー干渉計を利用した重力波観測実験新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 3 小型衛星実験 (3) - 実験コンセプト - 小型衛星 (DECIGO-PF) 実験案実験コンセプト : DECIGOのための基礎となること技術開発 : レーザーを用いた精密計測、精密制御天文・物理的意味のある成果 : 計測実験・観測実験実験内容 : DECIGOの基本設計, 必要な開発項目に依存重量・時間・リソースの制約との兼合いを考慮して目標を設定実験案短基線長重力波検出器 : 基線長 10cm程度の小型重力波検出器による観測新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 4 短基線長重力波検出器 (1) - 概要 - 短基線長重力波検出器基線長10cm程度のファブリ・ペロー共振器による重力波観測地上での観測が困難な 0.1-10Hzの重力波を観測実際に検出されない場合 → これまでに無い周波数帯で、上限値を与える熱雑音スペクトルの直接測定要素技術レーザー光源の開発・実証試験安定動作するレーザー光源周波数安定化打ち上げ時の衝撃に対するアラインメントの耐性干渉計を用いた計測システムの開発・実証試験 2点間の距離の精密計測 (ドラッグ・フリー実験) 光学素子の精密制御 S/C 姿勢制御新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 5 短基線長重力波検出器 (2) - 干渉計の構成 - 干渉計の構成テストマス : 溶融石英, 質量 1kg レーザー光源 : Nd:YAGレーザー, 出力 200mW 周波数安定化 : 外部共振器を基準パウンド・ドレーバー法により信号取得・制御代案テストマス : Au-Pt, 質量 1kg レーザー光源 : DFB半導体レーザーファイバ・レーザー周波数安定化 : 固定鏡共振器を基準アクチュエータ : コイル-マグネット特徴 : 出来るだけシンプルな光学構成光学系 →打ち上げ時の衝撃・ミスアラインメントの影響を受けにくいもの新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 6 短基線長重力波検出器 (3) - 機械系の構成 - 機械系の構成主干渉計 : シールドに覆われる (磁気, 脱ガス, 宇宙線の遮蔽) ドラッグフリー制御によりシールド内に保つ磁気シールド部 : S/C本体から柔らかく支持 → 防振効果 (必要に応じて多段化) 温度安定化 : 磁気シールド部, 基準共振器, レーザー光源の各部分で必要特徴 : ドラッグフリー制御により共振器を衛星内に保つ光路長制御により共振状態を保つ新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 7 短基線長重力波検出器 (4) - 感度 - 重力波に対する感度光源パワー : 100mW, フィネス : 100, 鏡質量 : 1kg 鏡Q値 : 107, サスペンションQ値 : 107, 温度 : 300K –12 10 re su es al pr m n er io th at n di sio Ra en sp Su 1/2 Noise level [1/Hz ] –13 10 –14 10 –15 10 –16 10 Noise level Shot noise –17 Mirro r 10 –18 10 –2 10 –1 10 0 1 therm al 2 10 10 10 Frequency [Hz] 3 10 4 10 新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 8 短基線長重力波検出器 (5) - 感度の比較 - 他の重力波検出器との比較本格的な将来計画と比較すると見劣りするが、過去のものよりはやや良いドップラートラッキング h ~10-15 (10-4-10-2 Hz) パルサータイミング h ~10-14 (10-8 Hz) –12 10 –14 Strain [1/Hz 1/2 ] 10 小型衛星検出器大質量ブラックホール連星合体 –16 10 –18 10 LISA –20 10 銀河系内連星銀河系内連星バックグラウンド雑音 –24 DECIGO (量子限界) 10 10 –5 10 –4 10 –3 10 –2 –1 LCGT 重力場変動雑音 (地上検出器) 基線長 108 m, マス 100kg, レーザー光 10MW, テレスコープ径 3m –26 重力崩壊型超新星爆発初期宇宙からの重力波 (Wgw=10-14) –22 10 中性子星連星合体 0 1 10 10 10 10 Frequency [Hz] 2 10 3 10 4 10 新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 9 まとめ小型衛星 (DECIGO-PF) によって、宇宙空間における基礎技術の総合的な試験と動作検証ドラッグフリー技術の検証干渉計を用いた計測システムの宇宙での検証宇宙空間の安定な環境・レーザー干渉計を利用した重力波観測実験を行なう新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 10 おわり終新特定領域「全波長重力波天文学のフロンティア」第5回会合 (2005年7月30日国立天文台, 東京) 11