S/C - 国立天文台

イラスト/ KAGAYA
宇宙重力波望遠鏡DECIGO
安東 正樹
(東京大学理学系研究科)
川村 静児(国立天文台), 中村 卓史(京大理), 坪野 公夫(東大理), 瀬戸 直樹(カリフォルニア大), 長野 重夫(NICT), 田中 貴浩(京大理), 石川 毅彦(JAXA), 植田 憲一(電通大), 武者 満(電通大), 佐
藤 孝(新潟大工), 細川 瑞彦(NICT), 森脇 成典 (東大新領域), 高島 健(JAXA-ISAS), 沼田 健司(NASA), 平林 久(JAXA-ISAS), 高野 忠(JAXA-ISAS), 藤本 眞克(国立天文台), 樽家 篤史(東大理), 姫
本 宣朗(東大理), 柳 哲文(阪市大理), 中尾 憲一(阪市大理), 原田 知広(京大理), 井岡 邦仁(京大理), 佐合 紀親(阪大理), 疋田 渉(京大基研), 佐藤 修一(国立天文台), 苔山 圭以子(お茶大人間文
化), 福嶋 美津広(国立天文台), 國森 裕生(NICT), 山崎 利孝(国立天文台), 大河 正志(新潟大工), 橋本 樹明(JAXA-ISAS), 高橋 忠幸(JAXA-ISAS), 青柳 巧介(早大理工), 我妻 一博(東大宇宙線
研), 阿久津 智忠(東大理), 浅田 秀樹(弘前大理工), 麻生 洋一(東大理), 新井 宏二(国立天文台), 新谷 昌人(東大地震研), 池上 健(産総研), 石徹白 晃治(東大理), 市耒 淨與(国立天文台), 伊藤
洋介(Univ. of Wisconsin), 井上 開輝(近大理工), 戎崎 俊一(理研), 江里口 良治(東大総合文化), 大石 奈緒子(国立天文台), 大橋 正健(東大宇宙線研), 大原 謙一(新潟大理), 奥冨 聡(東大宇宙線
研), 鎌ヶ迫 将悟(東大宇宙線研), 河島 信樹(近大理工), 川村 麻里(新潟大理), 神田 展行(阪市大理), 雁津 克彦(京大理), 木内 建太(早大理工), 桐原 裕之(東大宇宙線研), 工藤 秀明(東大理), 黒田
和明(東大宇宙線研), 郡 和範(Harvard-Smithsonian Center), 古在 由秀(ぐんま天文台), 小嶌 康史(広島大理), 小林 史歩(Penn. State Univ.), 西條 統之(Observatoire de Paris), 阪上 雅昭(京大総
合), 阪田 紫帆里(お茶大人間文化), 佐々木 節(京大基研), 柴田 大(東大総合文化), 真貝 寿明(稲盛財団), 杉山 直(国立天文台), 宗宮 健太郎(AEI), 祖谷 元(早大理工), 高橋 弘毅(阪市大理), 高橋
龍一(国立天文台), 高橋 竜太郎(国立天文台), 田越 秀行(阪大理), 田代 寛之(京大理), 谷口 敬介(Univ. of Illinois at Urbana-Champaign), 千葉 剛(日大文理), 辻川 信二(東大理), 常定 芳基(東工
大), 徳成 正雄(東大宇宙線研), 内藤 勲夫(無所属), 中川 憲保(東大宇宙線研), 中野 寛之(阪市大理), 中村 康二(国立天文台), 西澤 篤志(京大総合), 丹羽 佳人(京大総合), 野沢 超越(新潟大理),
端山 和大(国立天文台), 平松 尚志(東大理), 二間瀬 敏史(東北大理), 前田 恵一(早大理工), 松原 英雄(JAXA-ISAS), 水澤 広美(新潟大理), 蓑 泰志(Caltech), 宮川 治(Caltech), 三代木 伸二(東大
宇宙線研), 向山 信治(東大理), 森澤 理之(京大基研), 山元 一広(東大宇宙線研), 横山 順一(東大理), 吉田 至順(早大理工), 吉野 泰造(無所属)
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
はじめに
DECIGO
(DECI-hertz interferometer Gravitational wave Observatory)
スペース重力波アンテナ
0.1Hz付近の重力波の観測を行う
(LISAと地上検出器の狭間の周波数帯)
互いに1000km離れた
試験質量 (鏡) の間の距離を
レーザー干渉計によって精密測距
試験質量は、
S/C内に非接触保持
Æ 太陽輻射圧変動などの
外乱を避ける
試験質量の位置を基準に
S/C位置を制御する:
ドラッグフリー制御
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
2
目次
1. 重力波とその観測
重力波とその観測の現状
2. DECIGO
概要
要求値
3. DECIGOの技術
制御・フォーメーションフライトへの要請
軌道
4. DECIGOパスファインダー
概要
計画と体制
5. まとめ
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
3
1. 重力波とその観測
重力波とその観測
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
4
重力波とその観測 (1)
重力波 (時空のさざなみ)
重力波
光速で伝播する時空の歪み
A. Einstein
一般相対性理論から導かれる
(アインシュタイン方程式の波動解)
1916年: アインシュタインが予言
1989年: 連星パルサーの観測
によって存在を証明
質量の加速度運動により生成
強い透過力
(物質との相互作用が小さい)
電磁波
J.C. Maxwell
光速で伝播する電磁場の変動
電磁気学から導かれる
(マクスウェル方程式の波動解)
1864年 : マクスウェルが予言
1888年 : ヘルツの実験で発見
電荷の加速度運動により生成
通信・観測などで広く利用されている
「重力波天文学」
電磁波による天文学とは質の異なった情報
天体内部のダイナミックな運動の観測
電磁波では見ることのできない初期宇宙
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
5
重力波とその観測 (2)
重力波による天文学
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
6
重力波とその観測 (3)
重力波の検出
重力波
重力波の効果
自由質点間の距離の変化
大きさを持った物体への潮汐力
横波
四重極特性 (直交する方向で差動に変動)
2つの偏光 (+モード, xモード)
z
y
これらの性質を利用して検出
共振型検出器
自由質点型検出器
（レーザー干渉計型）
x
重力波の振幅 h : 無次元の歪み量
h =10-21
Æ 1mの距離が 10-21m 伸縮する
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
7
重力波とその観測 (4)
宇宙での重力波検出
LISA
(Laser Interferometer Space Antenna)
3台のS/Cで基線長500万kmの干渉計を構成
ターゲット: 1mHz 前後の周波数帯
ESA/NASA共同プロジェクト
打ち上げ: 2014年以降
DECIGO
(Deci-hertz Interferometer
Gravitational Wave Observatory)
3台のS/Cで基線長1000kmの干渉計を構成
ターゲット: 0.1Hz 前後の周波数帯
打ち上げ: 2025年頃
Drag-free
satellite
Arm
cavity
PD
Laser
PD
Drag-free satellite
Arm
cavity
Drag-free
satellite
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
8
2. DECIGO
概要
予備概念設計
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
9
DECIGO (1)
DECIGO
(DECI-hertz interferometer Gravitational wave Observatory)
スペース重力波アンテナ
0.1Hz付近の重力波の観測を行う
(LISAと地上検出器の狭間の周波数帯)
光共振型マイケルソン干渉計
アーム長： 1000 km
レーザーパワー： 10 W,
レーザー波長： 532 nm
ミラー直径： 1 m
互いに1000km離れた
試験質量 (鏡) の間の距離を
レーザー干渉計によって精密測距
試験質量は、
S/C内に非接触保持
Æ 太陽輻射圧変動などの
外乱を避ける
試験質量の位置を基準に
S/C位置を制御する:
ドラッグフリー制御
重力波検出器の原理
(自由質点間の距離変動を観測)
を、ほぼそのまま実現
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
10
DECIGO (2)
重力波に対する感度
地上干渉計 : 10Hz - 1kHz
Æ 中性子星など
DECIGO : 0.1 - 1Hz
Æ 中間質量BHなど, 初期宇宙からの重力波
LISA
: 1mHz – 10mHz Æ 大質量BHなど
–16
1/2
Strain [1/Hz ]
10
–18
10
DPF limit
大質量
ブラックホール連星合体
LISA
中性子星
連星合体
銀河系内連星
–20
重力崩壊型
超新星爆発
10
銀河系内連星
バックグラウンド雑音
–22
10
DECIGO
–24
10
初期宇宙
からの重力波
(Ωgw=10-14)
基線長 107 m, マス 100kg,
レーザー光 10W, 波長 532nm
テレスコープ径 1m
–26
–4
–2
(1yr)
LCGT
重力場変動雑音
(地上検出器)
10
10
ScoX-1
(1yr)
パルサー
0
10
10
Frequency [Hz]
2
10
10
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
4
11
3. DECIGOの技術
ドラッグフリー制御
スラスタ
軌道の選択
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
12
DECIGO (3)
干渉計とS/C位置の制御
干渉計基線長
PDH 誤差信号 Æ 鏡アクチュエータ, レーザー光源の周波数
鏡と S/C 間の相対変位
ローカルセンサー信号 Æ S/C スラスタ
Displacement Signal between S/C and Mirror
S/C 1
Local
Sensor
S/C 2
Mirror
Thruster
Actuator
Thruster
Displacement signal between the two Mirrors
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
13
DECIGO (4)
制御への要請
干渉計基線長制御
鏡に働く外乱 (重力, 電磁力, レーザー光輻射圧など) を抑圧
干渉計が動作することが必要
Æ レーザー光の波長 (532nm) よりも十分良い精度
余計な雑音の影響を避ける
(レーザー光源の強度雑音, 鏡の角度変動とのカップリングなど)
要求値: 3x10-10 m
3 x 10-18 m/Hz1/2
(0.1Hz)
鏡と S/C 間の相対変位 (ドラッグフリー制御)
(地上での重力波検出器 :
RMS変動 10-13 m
変位雑音 10-19 m/Hz1/2
程度が実現されている)
鏡を基準にS/Cに働く外力 (太陽光輻射, 天体重力など) を抑圧
鏡とS/Cがぶつからないことが必要
S/C変動が鏡の変動を引き起こさないことが必要
(重力, 電磁力によるカップリング)
ローカルセンサーの感度： なんとかなる
スラスタの推進力/推進力雑音が重要
要求値: 0.1 mm
3 x 10-10 m/Hz1/2 (0.1Hz)
S/C推進系への要請 : 外力より大きな力、 小さな雑音
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
14
DECIGO (5)
DECIGO軌道
軌道選定で考慮すべき要素
◎ S/C間の相対加速度が小さい (干渉計制御, ドラッグフリー制御からの要請)
◎ 太陽電池発電が困難でない (S/C生存からの要請)
○ 地球からの距離が遠すぎない (通信の要請)
○ 軌道投入が困難でない (推力/重量からの要請)
△ 地球からの位置関係があまり変化しない (なんとなく)
△ 制御を失ったときにリカバリーがききやすい (Fail Safeからの要請)
△ 軌道上に擾乱物がない (干渉計雑音からの要請)
軌道候補
太陽周回軌道
LISAと同様の軌道
地球公転軌道上
ラグランジュ点
ハロー軌道
ラグランジュ点付近への静止
地球周回軌道
なんか良い軌道がある可能性？
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
15
DECIGO (6)
DECIGO軌道の検討
(例1) LISAと同様の軌道 (高城氏, 森本氏)
惑星重力の効果を含める
(惑星補正なし Æ 30cm/yrの変動)
基線長: 1000km
地球公転と同様の軌道
(太陽から見て 20度 地球の後ろ)
無制御時の軌道
Length Change [km]
40
20
10
0
–10
–20
–30
–40
0
相対加速度 ~ 4x10-12 m/s2
Æ 必要推力 ~ 10-9 N
(例2) ラグランジュ点まわりのハロー軌道
30
12
24
36
48
60
Time [month]
(歌島氏)
L2点で線形展開した計算
基線長: 1000km
長半径70万kmの周回軌道
無制御時の軌道
相対加速度 ~ 4x10-7 m/s2
(山川氏)
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
16
DECIGO (7)
スラスタ
スラスタに対する要求値
最大推力 100 μN (推力可変)
推力雑音 δFthruster < 10-7 N/Hz1/2
応答速度 10 Hz以上
トータルインパルス : 104 Ns
太陽輻射圧 ~ 数十μN
惑星による潮汐力 ~ 10-9 N
(半年以上の運用寿命)
100μN級スラスタの候補
スラスタタイプ
Ion Thruster
FEEP Thruster
Cold Gas Jet
JPL Miniature Xenon
Ion Thruster
ESA FEEP Thruster Array
推力制御
電圧/ガス圧など
電圧
ガス圧
応答速度
<500ms ?
<10ms
<100ms
推力ノイズ
その原因
電流・熱・バルブ・放電
0.1mN/Hz1/2
500mN/Hz1/2
電流・熱・放電
流れ・バルブ
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
17
4. DECIGOパスファインダー
概要
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
18
DECIGO-PF (1)
DECIGOのロードマップ
LPF
LISA
Ad. LIGO
LCGT
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
19
DECIGO-PF (2)
DECIGOパスファインダー(DPF)
DECIGO-PF : DECIGOのミニチュア
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
JAXA小型衛星計画のミッション候補の1つ
最短で2012年度の打ち上げを目指している
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
Local Sensor
Actuator
Thruster
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
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
20
5. まとめ
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
21
まとめ
重力波天文学
重力波の観測によって…
電磁波では観測できない現象を観測する,
既存の天文学と相補的な 「重力波天文学」 が期待できる
ほかの手段とは全く独立な情報
初期宇宙, ダークエネルギー, 超巨大ブラックホールの形成
2025年頃までに、DECIGOを実現
0.1-1 Hzの周波数帯での重力波観測 を行う
Æ 他では得られない新しい知見が得られるはず
DECIGO実現のための 宇宙空間での実証試験 が不可欠
小型衛星を利用した実証試験 : DPF
JAXA小型衛星計画のミッション候補の1つ
(小型衛星戦略的研究経費が措置されている)
最短で2012年度の打ち上げを目指している
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
22
終
低推力・連続加速を用いた宇宙ミッションに関する研究会 (2007年11月2日 東京国際フォーラム, 有楽町)
23