小型重力波検出器 DECIGOパスファインダー 安東正樹，川村静児，船木一幸，高島 健, 坂井真一郎， 神田展行，佐藤修一，植田憲一，武者満，森脇成典，田中貴浩， 山川宏, 高橋龍一，中村卓史，坪野公夫，沼田健司，瀬戸直樹， 青柳巧介，我妻一博，阿久津智忠，阿久津朋美，浅田秀樹， 麻生洋一，新井宏二，荒瀬勇太，新谷昌人，井岡邦仁，池上健， 石川毅彦，石徹白晃治，市來淨與，伊東宏之，伊藤洋介，井上開輝，榎基宏，戎崎俊一，江里口良治，大石奈緒子，大河正志，大橋正健，大原 謙一，奥冨聡，小野里光司，鎌ヶ迫将悟，河島信樹，川添史子，雁津克彦，木内建太，桐原裕之，工藤秀明，國中均，國森裕生，クラウス・ヴェル ナー，黒田和明，小泉宏之，郡和範，穀山渉, 苔山圭以子，古在由秀，小嶌康史，固武慶，小林史歩，西條統之，阪上雅昭，阪田紫帆里，佐合紀 親，佐々木節，佐藤孝，柴田大，真貝寿明，杉山直，宗宮健太郎，祖谷元，高野忠，高橋走，高橋忠幸，高橋弘毅，高橋竜太郎，高森昭光，田越 秀行，田代寛之，谷口敬介，樽家篤史，千葉剛，辻川信二，常定芳基，徳田充，徳成正雄，豊嶋守生，内藤勲夫，中尾憲一，中川憲保，中須賀真 一，中野寛之，長野重夫，中村康二，中山宜典，西澤篤志，西田恵里奈，西山和孝，丹羽佳人，橋本樹明，端山和大，原田知広，疋田渉，姫本宣 朗，平林久，平松尚志，福嶋美津広，藤本眞克，二間瀬敏史，細川端彦，堀澤秀之，洪鋒雷, 前田恵一，松原英雄，三浦純一，蓑泰志，宮川治， 三代木伸二，向山信治，森岡友子，森澤理之，森本睦子，柳哲文，山崎利孝，山元一広，横山順一，吉田至順，吉野泰造 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) DECIGOロードマップ DECIGOのロードマップ LPF LISA Ad. LIGO LCGT 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 2 概要 DECIGOパスファインダー(DPF)の概要 DECIGO-PF 衛星 : 100cm立方, 100kg級, 1 機, 地球周回軌道 フリーマスで構成された基線長10cmのFP共振器 レーザー光源とその安定化システム ドラッグ・フリーの組み込み Local Sensor DECIGOのための宇宙実証試験 (1) 衛星のドラッグフリー制御 の実証試験 (2) レーザー光源とその安定化システム の宇宙実証試験 (3) レーザー干渉計(FP共振器)制御 の宇宙実証 (4) クランプ・リリース機構 の宇宙実証試験 重力波の観測 (5) 小型重力波検出器による低周波数の重力波の観測 (6ヶ月間) 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 Actuator Thruster 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 3 DPFミッション機器 DPFミッション機器構成 ドラッグフリー ローカルセンサで相対変動検出 スラスタ・ホイールにフィードバック ミッション機器重量 :20-100kg ミッション機器空間 : 40-70 cm立方 スラスタ ホイール ドラッグフリー制御 安定化レーザー光源 周波数 安定化制御 ローカル センサ 外部共振器 光検出器 信号復調 重力波検出器 ( ファブリ・ペロー干渉計) 光ファイバ 鏡 ファイバ カプラ 位相変調器 ケージング ( クランプ・ シールド) アクチュエータ 光検出器 倍波Nd:YAG レーザー光源 アイソレータ 信号発生器 レーザー光源 Nd:YAGレーザー 出力 25mW 外部共振器による周波数安定化 ファイバ カプラ 重力波信号 信号復調 干渉計制御 ファブリー・ペロー共振器 フィネス : 100 基線長 : 10cm テストマス : 質量 1kg PDH法により信号取得・制御 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 4 DPF軌道設定 DPF軌道 軌道の選択 実現性の高さ (コスト, 打ち上げ機会) 運用のやり易さ (電力の供給, 通信) 地球重力場などによる雑音 750km DPF 太陽同期極軌道 高度 750km メリット ピギーバックによる打ち上げ機会が期待できる コスト面で実現性が高い 地球の影に入らない 連続的な電力供給 運用のやり易さ (電力の供給, 通信) デメリット 地球の影響を十分に検討する必要がある (重力場, 地磁気, 残留大気) 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 5 DPF感度デザイン 重力波に対する感度 光源 : 532nm, 100mW 共振器長 : 10cm フィネス : 100, 鏡質量 : 1kg 鏡Q値 : 105 , 基材: 溶融石英 温度 : 293K ] 1/2 PM –13 10 ac og Ge –14 10 i rav –15 ra tio –16 10 ter –17 ise no 10 –18 –2 10 –1 10 n La s ru Th 10 10 ce le ty Noise level [1/Hz Cavity length: 10cm Laser: 532nm, 100mW Finesse: 100 Mirror mass: 1kg Q–value of a mirror: 10 –12 10 No ise –13 10 –14 10 6 –15 10 Laser Frequency noise se prr R es ad su iat re ion no ise 0 10 1/2 –12 10 –16 10 –17 Shot noise 10 –18 Mirror th ermal 1 10 10 –19 10 2 10 Displacement Noise [m/Hz –11 10 ] 衛星重量 : 100kg, 衛星実効面積 : 1m2 衛星高度: 750km スラスタ雑音: 0.1μN/Hz1/2 Frequency [Hz] 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 6 DPFの観測対象 DPFで期待できる重力波源 h ~ 10-15 , f ~ 4 Hz 距離 10kpc, m = 103 Msun (Obs. band = Center frequency) BH QNM –13 (1M pc) 10 DPF Estimated noises –14 10 6 10 Mo –15 10 BH chirp Dopplar tracking 5 3 (10 Mo, 10k pc) 10 Mo –16 10 DPF Fundamental noise 104Mo –17 10 [kpc, SNR=5] 中間質量ブラックホール合体 GW characteristic amplitude h ~ 10-15 , f ~ 0.3 Hz 距離 1Mpc, m = 105 Msun Observable Range BH準固有振動からの重力波 –12 10 –2 10 –1 10 0 10 Frequency [Hz] 1 10 2 10 2 10 BH QNM BH Inspiral 1 10 Galactic Center 0 10 –1 10 3 10 4 10 5 10 6 10 Mass [M solar] 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 7 実現への道筋 DECIGOパスファインダー (DPF)」を2012年頃に打ち上げることを目標にしている 現在 2 つの道筋がありえる: (1) JAXAで公募している 「小型衛星打ち上げ機会の提供」 に応募 ピギーバックとしてJAXAが打ち上げ費用を負担してくれる 衛星の製作や試験は全て自前で行う 費用も自分で確保できる場合は, 打上げられる可能性は高い 応募中の特定領域研究申請書ではこれを前提としている (2) ISAS/JAXAの小型科学衛星の枠組みでの打ち上げ ISASで進めている小型衛星標準バスに搭載する 小型衛星ワーキンググループを公募 ＤＰＦはその1つとして認められている 4/13 (Fri) 「小型科学衛星ＷＧ第一回研究会」 5月 「科学推進戦略的開発研究費」への応募資格 2年程度を目処に技術開発 「バスに関してミッション系の方々を煩わせる事は 小型科学衛星に関しては無いようにこちらでは努力しています。」 状況は、今後変化していく可能性がある 「自分達が何をしたいか」を明確にしておく必要がある 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 8 宇宙理学委員会・小型衛星WG 小型衛星計画ワーキンググループとして承認されているもの (2007.04.04 現在) 1 小型衛星の編隊飛行による 高エネルギー領域広天走査衛星 (FFAST) 常深 博 (大阪大学) 2 超小型精密測位衛星 (PPM-Sat) 津田 敏隆 (京都大学生存圏) 3 高感度ガンマ線望遠鏡 (CAST) 高橋 忠幸 (ISAS/JAXA) 4 小型重力波観測衛星 (DPF) 安東 正樹 (東京大学) 5 ダークバリオン探査衛星 (DIOS) 大橋 隆哉 (首都大学東京) 6 超高層大気撮像観測小型衛星 (IMAP) 齊藤 昭則 (京都大学) 7 地球電磁環境モニター衛星 (ELMOS) 小山 孝一郎 (首都大学東京) 8 惑星観測用小型宇宙望遠鏡 (TOPS) 高橋 幸弘 (東北大学) 9 小型衛星によるジオスペース探査 (ERG) 小野 高幸 (東北大学) Ｘ線ガンマ線偏光観測小型衛星 (POLARIS) 林田 清 (大阪大学) 10 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 9 進め方・最近の状況 DPFの仕様, 要求値を取りまとめることが大事 DPFをサブシステムに分け、 それぞれに対する要求値と仕様を定める作業を行う (1) 1ヶ月程度を目安に各サブシステムのリーダーが、担当部分の 概念設計・仕様・要求値、開発のための予備実験 (必要に応じて) をまとめる (2) それらを持ち寄ってブレインストーミング的な会合を開き、 お互いに共通認識を持つとともに、様々なトレードオフの調整を行い、 仕様をより詳細に定める (3) それらを取りまとめて、ミッション全体の概念設計と仕様・要求値 を仕上げる (サイズ, 重量, 電力, 振動・磁場・温度環境, データレート, 信号処理, 制御, 費用, などなど) 4/4 DPF 検討会 材料集め 何が出来るのか?, 何が必要か? 知識の共有 今後2年間でやることの方向性を見出す 4/13 小型科学衛星WG 第一回検討会 (@ ISAS) 小型科学衛星の候補として発表 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 10 DPFサブシステム DPFサブシステム構成 DPFをサブシステムに分割 各サブシステムで仕様・要求値を検討 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 11 DECIGO組織 DECIGO暫定組織図 (2007.03.13版) DPF: ミッションフェーズの組織 Pre-DECIGO, DECIGO: 検討フェーズの組織 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 12 終 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 13 DPF開発体制 DPF研究体制・開発コスト 開発期間 : 5年半 開発コスト : 8億円 を見込む (打上げ費用は含まず) さまざまな機関から 59名 が参加 取り組み 現時点での基本概念設計をまとめる ため 「DPFミッション提案書」を作成 JAXA/ISAS 宇宙理学委員会 から 小型科学衛星計画ワーキンググルー プ の 1つとしての承認を得た 平成19年度 文部科学省科学研究費 特定領域研究 の柱として申請中 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 14 研究計画 研究計画 1年目 ： 概念設計およびブレッドボードモデルの開発 ブレッドボードモデルの作製，動作．衛星本体とインターフェース部の基本設計 DECIGOパスファインダーの基本設計 2年目 ： ブレッドボードモデルの性能評価とエンジニアリングモデルの設計 ブレッドボードモデルの性能の評価, 感度の向上実験 要求値を満たすよう改良 エンジニアリングモデルの設計 3年目 ： エンジニアリングモデルの製作 各開発要素 (ドラッグフリー制御技術, Nd:YAGレーザー光源, 外部共振器による周波数安定化) 重力波観測装置部のエンジニアリングモデルの製作，各種試験 実際に打ち上げる衛星全体の詳細設計を完成させる 4年目 ： プリ・フライトモデルの開発 実際に打ち上げる仕様での試験機 (プリ・フライトモデル) の製作と試験 5年目 ： フライトモデルの製作と試験 フライトモデルの振動試験・宇宙環境試験 6年目 ： 打ち上げと動作 打ち上げと軌道上の宇宙実証試験 半年間の重力波観測 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 15 既存技術 既存技術のまとめ (1) 衛星のドラッグフリー制御 スラスタ : 100μN級スラスタは実現可能. 雑音特性の評価は必要. 姿勢制御 : 「れいめい」などでの実績. ホイールの雑音特性評価が必要. 制御則 : 原理的な問題はない. シミュレーションによる確認が必要. (2) レーザー光源・安定化 レーザー光源 : 宇宙用Nd:YAGレーザー光源は入手可能. 周波数安定化 : 地上では必要な安定度が実現されている. 振動・温度環境が重要. (3) レーザー干渉計制御 光学素子 : 地上干渉計での実績. 機械強度の試験が必要. 干渉計制御 : 地上干渉計での実績. (4) クランプ・リリース機構 クランプ・リリース : 他プロジェクトでは解決. 技術の導入, 試験が必要. ローカルセンサ : 手法は確立されている. 試験マスアクチュエータ : 手法は確立されている. 温度安定化 : 地上では実現可能. 宇宙で実現するための設計と試験が必要. (5) 重力波の観測 地上観測 : 豊富な観測実績 (100Hz以上) 信号取得・処理 : データレート, 信号処理能力とも実現可能な範囲. 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 16 開発方針 重点開発項目 今後2年間で, 主要な要素技術を確立する. (1) 衛星のドラッグフリー制御 100μN級スラスタの試作と雑音特性などの評価, 改良. シミュレーションによる制御トポロジー検証. (2) レーザー光源・安定化 宇宙仕様を想定した周波数安定化実験と改良. (3) レーザー干渉計制御 干渉計構成コンポーネントの試験. 干渉計デザインと各種雑音源の評価. (4) クランプ・リリース機構 クランプ・リリースの試作と評価. ハウジングデザインと試験 (温度安定化, 真空度). (5) 重力波の観測 信号取得・処理系の試作と試験. 重力波源とデータ解析手法の研究. 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 17 DECIGO-PFシステム構成 DPFサブシステム構成 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 18 DECIGO-PF (11) DPFの主要パラメータ 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 19 DECIGO-PF (12) DPF重量配分案 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 20 DECIGO-PF (13) DPF費用見積もり 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 21 各計画研究の目的・スコープ DECIGO PTA 理論・解析 題目 目的・スコープ パスファインダー DPFの開発、製作、打ち上げ、運用 地上シミュレーター 地上シミュレーターによる力の雑音の測定と低減化 クランプリリース機構の開発 DPF用クランプリリースシステムの製作 DFI、QNDによる力の雑音の低減化の可能性 測距技術 光学素子の開発 測距技術の開発および測距雑音の低減化 ドラッグフリー ドラッグフリーシステムの開発 DPF用ドラッグフリーシステムの製作 スラスター スラスターの開発 DPF用スラスターの製作 光源 光源の開発 DPF用光源（周波数安定化を含む）の製作 周波数安定化 周波数安定化システムの開発 那須 PTA建設および運用 鹿島 既存のアンテナの運用 理論 DECIGO（DPF)、PTAのための重力波源の理論的研究 シミュレーション DECIGO（DPF）、PTAのための重力波源のシミュレーションによる研究 解析 DPF、PTAのデータ解析 DPFのデータ解析システムの開発 第5回DECIGOワークショップ (2007年04月18日, 国立天文台・解析研究棟・大セミナー室, 三鷹) 22
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