III.
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III. 小型 JASMINE 計画 ( 1 )小型 JASMINE の全体的概要 バルジ の 一部領域方向 を 近赤外線 (Hw- バンド) でサーベイ 10μ 秒角 の年周視差精度が達成目標 PowerPoint PPT Presentation


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III. 小型 JASMINE 計画 ( 1 )小型 JASMINE の全体的概要 バルジ の 一部領域方向 を 近赤外線 (Hw- バンド) でサーベイ 10μ 秒角 の年周視差精度が達成目標  バルジ内の多数(数千~数万個)の星の距離、接線速度が世界で初めて高信頼度で分かる。  ○ JAXA 宇宙研の 小型科学衛星シリーズに応募予定。 2011 年度に 3 号機のミッション公募予定 で、それへの応募を目標に検討、開発、実験を進めている。 ○主鏡口径:約 30cm 、衛星重量:約 400kg  ○科学的、技術的なステップとして ( 中型) JASMINE につなぐもの。

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III. 小型 JASMINE 計画 ( 1 )小型 JASMINE の全体的概要 バルジ の 一部領域方向 を 近赤外線 (Hw- バンド) でサーベイ 10μ 秒角 の年周視差精度が達成目標

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Presentation Transcript


III.小型JASMINE計画

(1)小型JASMINEの全体的概要

バルジの一部領域方向を近赤外線(Hw-バンド)でサーベイ

10μ秒角の年周視差精度が達成目標

バルジ内の多数(数千~数万個)の星の距離、接線速度が世界で初めて高信頼度で分かる。

 ○JAXA宇宙研の小型科学衛星シリーズに応募予定。

2011年度に3号機のミッション公募予定で、それへの応募を目標に検討、開発、実験を進めている。

○主鏡口径:約30cm、衛星重量:約400kg

 ○科学的、技術的なステップとして(中型)JASMINEにつなぐもの。

○(JAXAからの)予算制約(打ち上げ費用を入れると70億円程度)

ミッション部:10億円程度、標準バス部:25億円程度、 

  新固体小型ロケットを使用予定(打ち上げ費用:38億円)


(2)小型JASMINEの観測精度、観測領域

*注意: 以下の数値等は、すべて現在の案で今後、変更の可能性が

      あります。    

観測波長:Hw-band(1.1mm~1.7mm)

Kwバンドからの変更理由:コストの問題が大きい。Kwバンドだと検出器の動作温度は、80K

程度。一方、放射冷却により、観測装置回りの温度を冷却できるのは、200K程度まで。

従って、検出器回りは、冷凍機を搭載する必要があるが、宇宙用の冷凍機はコストが高い。

そこで、動作温度を上げ(180K程度)、冷凍機以外の冷却方法を検討することになり、

Hwバンドに切り替える方針とした。

観測精度:

年周視差:

~10 m as for9mag< Hw<11.5mag(region1)

~50 m as for 9mag<Hw<11.5mag(region2)

固有運動:

~ 9.4m as/yr for 9mag<Hw<11.5mag(region1)

~47 m as/yr for 9mag<Hw<11.5mag(region2)

天球上の位置:

~7.8 m as for 9mag<Hw<11.5mag(region1)

~39 m as for 9mag<Hw<11.5mag(region2)

観測領域:

region1(higih accuracy region)

region2

24


★精度の換算例

小型JASMINE :

Region1

年周視差精度: 10 m as( for 9mag<Hw<11.5mag)

距離精度: ~640pc @8kpc

固有運動精度: ~ 9.4m as/yr( for 9mag<Hw<11.5mag)

接線速度誤差: ~380m/s @8kpc

(ただし、距離が正確に求まり、距離の誤差を無視した場合)

Region2

年周視差精度 accuracy: 50 m as( for 9mag<Hw<11.5mag)

距離精度:分光視差を使用(15~20% 誤差)

固有運動精度: ~ 47m as/yr( for 9mag<Hw<11.5mag)

接線速度誤差: ~1.9km/s @8kpc

(ただし、距離が正確に求まり、距離の誤差を無視した場合)


★注意:フルサクセスレベルとエキストラサクセスレベルについて

小型科学衛星原則、運用は、1年間のみの保証。

           従って、1年間だけしか運用できなかった場合の

           成果(フルサクセスレベル)と、幸にも1年以上

           運用できた場合(我々は、2.8年程度)の科学的

           成果(エキストラサクセスレベル)の両方を検討して

           おく必要がある。

フルサクセスレベル(1年観測)  エキストラサクセスレベル(2.8年観測)

Region1:

年周視差    16μas(9mag<Hw<10.5mag) 10μas(9mag<Hw<11.5mag)

   固有運動 42μas/year(9mag<Hw<10.5mag) 9.4μas/year(9mag<Hw<11.5mag)

Region2:

年周視差 80μas(9mag<Hw<10.5mag) 50μas(9mag<Hw<11.5mag)

   固有運動210μas/year(9mag<Hw<10.5mag) 47μas/year(9mag<Hw<11.5mag)


小型JASMINEの観測領域候補の一例(K.Freeman氏からのアドバイスに基づく)

VERAで測定されたメーザー源の位置天文情報を較正に使用予定。

青印=>強度が強く、VERAで年周視差測定が可能そうなメーザー天体

赤印=>青印の天体よりは強度が低いが、VERAでの観測可能性がある天体。

そのほか、ミラ型変光星も較正に使用予定。

Region1

Region2


★バルジ観測に関する国際協力

例:

APOGEE計画との連携が進行中!!

(Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment)

◎APOGEE-I計画

○Hバンド(1.51μm~1.68μm)による、10万個程度の星を対象とした分光サーベイ観測。  高分解能(R~30,000)

Hバンドで12等級から14等級より明るい星が対象

○視線速度の誤差は、0.5km/s、元素組成の誤差は、0.1dex程度。

○Sloan 2.5-m 望遠鏡を使用

○2011年から2014年にかけて観測

APOGEEのP.I.である、S.MajewskiとAPOGEEチームと相談。


★APOGEE-Iからの発展

APOGEEのP.I.である、S.Majewski (バージニア大)より共同

プロポーザルのオファーがきた。

その結果、プロポーザールを米国で既に提出した。

◎APOGEE-II: 北天での観測の継続。

          サンプルを増やす。

◎APOGEE-III:南天(候補:Las Campanas Obs.の

DuPont 2.5m)

バルジ、マゼラン星雲、Sagittarius

dSph galaxy等がtarget

*APOGEE-Iでは、バルジ星は8000個程度の観測。

   観測できるバルジ領域も限られる。


★銀河系バルジの解明に向けた

 国際共同サイエンスチーム

M.Rich(UCLA, U.S.A)BRAVAプロジェクトとの協力

J.Gimore(Cambridge Univ., U.K.)

K.Freeman(Australian NationalUniversity, Australia)ARGOS Bulge Programとの協力

J.Bland-Hawthorn(University of Sydney, Australia)

K.A.G.Olsen(National OpticalAstronomy Observatory, Chile)

さらに、国内のサイエンスチームの拡張も目指したい。

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(3)小型JASMINEミッション部の衛星仕様(現在値)

(参考:中型版の仕様)

ミッション部

光学系: Modified Korsch System (3mirrors) *中型版と同じ

望遠鏡素材: 合成シリカ *中型版 高強度反応焼結型 SiC (NT-SiC)

主鏡口径: ~30cm*中型版:80cm

焦点距離: 6.9m*中型版:14.4m

分解能: 0.96秒角

視野:0.61°×0.61° *中型版:(0.98°)2

検出器: HgCdTe*中型版と同じ

検出器サイズ: 4.1cm×4.1cm(4k×4k)

ピクセルサイズ: 18 micron

ピクセルの角度スケール: 535mas*中型版 286mas

検出器個数: 1*中型版 9(3×3)

星の色情報のための測光用検出器(J,Hバンドを予定、詳細は未定)

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31

31


(4)小型JASMINEの観測手法:フレーム連結法

観測領域(領域1の場合) :

0.61゜ 0.61 ゜

視野:0.61 度 × 061 度

Stage 1: 7秒間撮像。同じ視野に対して、 16回繰り返す。その16枚のフレームのセットを

      小フレームとよぶ。

Stage 2: 望遠鏡の向きをすこし移動。前の視野と半分程度重なる視野に対して、Stage1と同様にして、小フレームを作成。この作業を、約45分間行うことで、全観測領域を16枚の小フレームで覆うことができる。こうしてできた全領域のフレームを大フレームとよぶ

Stage 3:作業2までのプロセスをミッション期間中、繰り返す。最終的には、約11000枚の大フレームが作成される。この大フレーム上の星の軌跡から、年周視差、固有運動を求める。

この際、大フレーム毎のサイズ変動、distortionの変動は、較正天体(VERAなどで測定された天体)を用いて同時に解く。


(5)開発状況と今後について

★精度達成について

10μ秒角の精度達成への道筋はつけてきている。

概念検討:

  • ミッション側:国立天文台、京大

  • システム側:JAXA/SE推進室

  • JAXA/宇宙研

  • JAXA/研究開発本部

○エラー配分評価

○エラー配分通りに実現するために必要な技術

    達成見込みの技術と重要技術課題の判別


総合システム

(軌道、熱、構造、姿勢制御、

  電力、通信、運用・解析など)

見込みが

ついてきた

(コストなどの問題はあり)

重要技術課題

企業へ検討

委託

特に重要な技術課題

インハウス

・星像中心決定

・熱安定性の高い宇宙望遠鏡

・望遠鏡の指向安定性

*JAXA宇宙研の戦略的経費(競争的R&D経費)に採択され、その

資金で検討を行っている。


小型JASMINE衛星システム

ミッション部

バス部

熱制御系

構造系

通信系

データ処理系

電源系

姿勢制御系

2次推進系

TTMデスパン方式

ステップステア方式

大フレーム視野角

小フレーム

・・・

一定レート回転

半視野分

{

TTMデスパン

・・・

ミッション部光学系(3枚鏡コルシュ系)

・ 指向安定度:[email protected]

・ 指向制御精度:0.1deg

・ 衛星回転レート: 約10as/sec

・ 回転軸・方向の変更: 0.45deg@60秒

・ TTMの可動範囲: 30arcsec以上

・ 姿勢マヌーバ+静定: [email protected]

・ 1枚あたりの撮影時間:3sec

・ 指向安定度:[email protected]

・ 指向制御精度:0.1deg

総合システム検討

  • 総合システム設計作業

    • 衛星システム

      • 衛星バス適合性

      • 指向制御・安定度

      • 熱構造

システム全体の物理設計に対して

 企業に委託見込みがついてきた

小型科学衛星標準バス

・ミッション搭載質量:200kg以下・ミッション供給電力:300W以下・ミッション部許容包絡域・設計寿命:1年間

第53回 宇宙科学技術連合講演会

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表:システム成立性の現状と今後の課題(*印は、技術的重要課題)

2010年3月時点


★総合システム検討は、Hwバンドでの新たなベースラインのもと

 2度目の衛星メーカーへの詳細検討委託を進行中。

★技術的重要課題(星像中心決定の解析、望遠鏡の熱安定性、

 望遠鏡の指向制御)はインハウスでの技術実証実験が

 進んでいる。


★重要な技術課題の実証実験など

◎星像中心決定:

星像中心位置決定精度実証実験のセットアップと測定データ

光ファイバーからの出射光を擬似星像としてCCDで撮像。想定どおり、1セットの画像数の

-1/2乗に比例して誤差が低減。現時点で1pixの10-4の位置決定精度の達成を確認。


◎熱構造安定な宇宙望遠鏡の開発

ヘテロダインレーザー干渉計型変位センサー の精度実証実験のためのセットアップ

線膨張率の小さなULEプレートの熱膨張を測定することで、センサーの測定精度を検証した。

1時間の周期の変位に対して、20pmの精度まで測定することが可能。小型JASMINEの要求測定精度は

15分間で100pmであるため、その要求をクリアしている。

○熱安定な望遠鏡の素材検討のため、JASMINE検討室保有の熱真空チャンバーを用いて

 アルミニウム、CFRP、合成石英の熱容量を測定した。


◎望遠鏡の高安定な指向制御

2つの星像位置情報からの誤差信号取得実験のセットアップ

可動ステージを動かしたときの2つの星像の位置の変動を同時に検出することで、2倍の量の

指向誤差信号を取得できることを確認した。


(6)小型JASMINEで期待されるサイエンス

 ○銀河系バルジの力学構造、構造形成史       銀河形成論

    銀河系中心の棒状構造

   ○銀河系内の星形成史                 巨大BHと

   ○巨大ブラックホールの形成史            銀河の共進化

   ○ディスクの渦状構造形成

   ○ディスク星等によるマイクロレンズ効果

   ○ 位置天文的重力レンズ効果による系外惑星研究

○高時間分解能と長時間連続サーベイを生かし、 重力レンズ

効果による光度曲線変化を用いた 系外惑星研究!?

   ○脈動変光星

  ○恒星物理、超新星、連星

   ○X線連星

   (○ 基礎物理(一般相対論の検証))

○未知の現象の発見(サプライズ)

42

42

42


銀河系バルジ

例 1:

銀河系バルジのパラドックスを解く!

バルジの分類(2種類)

楕円銀河に相似

ディスクに相似

pseudo

classical

Origin:bar-buckling instability

boxy/peanut-shaped

origin:merging of

galaxies

old population

長期間に渡る星形成

Howard, etal.(2009)

Clarkson etal.(2008)

Radial metalicity

Gradient along

the bulge minor axis

secular evolution owing to

bar structures of bulges

2つの側面!?


星形成史CMD (+化学組成)

Sagittarius window

(Clarkson et al.(2008))

バルジの星とディスクの星の分離が重要かつ困難

星の正確な距離

+3次元速度

分離に必要

M31のkバンドでの

巨星に対するCMD.

バルジ星と

ディスク星

が混在

星の距離 絶対等級

距離+3次元速度情報が重要。

小型JASMINE 視線速度と化学組成に相補的なデータを提供

            さらなる研究の進展に寄与

(Olsen .(2006))

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Kinematicsで探るバルジの起源

Merging

vs.

Bar-buckling instability

Athanassoula 2005

Sauron survey (Falcon-Barroso + 2004)

classical bulge

boxy bulge

di Matteo + 2005

回転速度に銀緯方向

のgradientが見られる

cylindrical rotation

回転速度が銀緯方向

に一定

NGC 5866

NGC 7332

Howard, etal.(2009)

Cylindrical rotation of the Galactic bulge

距離+固有運動+視線速度銀河系バルジの構造形成を解明

 小型JASMINE さらなる研究の進展に寄与

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例2:

銀河系中心の巨大BHの形成、進化モデルの制限

merging of smalland/or medium BHs?

gas accretion?

○形成、進化の情報が、バルジの半径方向の

3次元速度分布に刻み込まれている可能性がある。

(谷川、藤井、梅村)

○ガスアクリーションの分解による銀河中心ブラックホールの

    性質を解明。(加藤)

例3:コンパクト天体(X線連星の軌道決定など)

   (植村、川口)


例4. 全物質の位相分布関数への制限      見えないものを“見る”!!!

ダークマター等の力学構造(分布、軌道)

       重力場

 (観測できる)星の分布や運動 

 星の位置天文観測

(天球上の位置、距離、接線速度)

 +視線速度観測  

銀河の構造、形成史、力学構造の物理など

  へも影響

有限の星の観測データから、どうやってダークマターを含む全物資の位相分布関数を

決めるか?

力学構造の構築様々な重力ポテンシャルモデルにおける、理論的に導出した位相分布

            関数と観測データとの比較

*トーラス構築方法の開発(Tous fitting法の独自開発)

   *位相分布関数導出の方法開発(M2M法の応用)

   *観測データとモデルとの比較に必要な統計解析手法の開発

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 銀河力学構造構築流れ図

軌道重み評価法


本来は、中型JASMIEやGaiaの観測データへの適用が適当。

しかし、狭いが、小型JASMINEで垣間見られる領域に適応することによって、モデルに何か制限を加えることはできるかもしれない。


★小型JASMINEによるサイエンス戦略

○1つのtargetでも、初めての精密位置測定で画期的な発展が期待できるサイエンス

   例:X線連星の軌道

より早い実現が望まれる。

*もし3号機に採択され、2016年頃の打ち上げが出来ると、 Gaiaの最終カタログ(2021年)より小型JASMINEの最終カタログ(2019年)の方が先に出せる!! 

  バルジ以外の近傍でも一番を狙えるtargetがあるかも。

○精密位置測定かつ統計性を要求されるサイエンス

  小型JASMINEは観測個数が比較的少数なので、統計性が必要なサイエンスでは、モデル化、シミュレーションとかの比較は必要だが、Gaiaよりは圧倒的に統計性は良く、進展が期待できるターゲット:

   例。バルジ構造の形成モデル、星形成史

他の観測プロジェクトとの連携から早期実現は望まれる。

サイエンスの次のステップのためには、

(中型)JASMINEにつなぐ。


1993

1994

1997

1998

1999

2001

2002

2003

2004

2006

2007

2008

2010

2011

2013

2014

2017

2018

2019

2021

1996

2000

2005

2009

2012

2015

2020

1995

2016

Gaia:Schedule(http://www.rssd.esa.int/index.php?project=GAIA&page=presentations)

Proposal

Concept & Technology Study

Mission Selection

Re-Assessment Study

Phase B1

Definition

Selection of Prime Contractor (EADS Astrium SAS)

Phase B2

Phase C/D

Implementation

Launch November 2012

Scientific operation

Operation

Studies

Software Development (DPAC)

Data Processing

Data Processing

Intermediate

Final

Mission Products

Today

Figure courtesy Michael Perryman and François Mignard


(7)小型JASMINEサイエンスワーキングの活動が

  スタート

*小型JASMINE(+Nano-JASMINE)に関するサイエンスを

 検討。期待するサイエンス成果、その意義等に関するレポートを22年度末までに作成していただく。

*データを得た暁には、実際に中心となって科学的成果を

 出していただくことも期待。

*コミュニティの拡大、若手の育成のため、研究会、シンポジウムなどを頻繁に開催予定(そのための来年度科研費をワーキンググループ主要メンバーと一緒に申請中)。

★サイエンスワーキンググループメンバー(現時点)

代表:梅村雅之(筑波大):銀河系中心、巨大BH、コンパクト天体など

副代表:西 亮一(新潟大)(Nano-JASMINEのサイエンス検討の主担当):恒星物理、星団等

副代表:浅田秀樹(弘前大):系外惑星探査、重力レンズ、一般相対論の検証など

副代表:長島雅裕(長崎大):銀河形成・進化(特にバルジの構造、形成進化)

他メンバー(現時点):

巨大BH関連:谷川、川口(筑波大)、本間(NAOJ)、藤井(鹿児島大)

コンパクト天体:川口(筑波大)、植村(広島大)

バルジ関連:羽部(北大)、岡本(筑波大)、河田(UCL)、泉浦、斎藤、馬場(NAOJ)、榎(東京経済大)

星関連:宮田、田辺、松永(東大)、板(東北大)、廣田(NAOJ)

系外惑星探査、重力レンズ関連:住、福井(名大)

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★サイエンスWGへの当面の具体的なお願い

小型科学衛星3号機のミッション応募:2011年度中

 それまでに、ミッション提案書を準備。

ミッション提案書科学的成果のパート

審査においては、もちろん、最重要。

 科学的意義、 緊急性、コミュニティからのサポートなどを盛り込む。

1.そのたたき台となる、レポートをまとめていただきたい。

*期待される科学的成果、その意義、できれば、

   緊急性なども。

*可能な限り、フルサクセスレベルとエキストラサクセス

   レベル毎の科学的成果が出されていると嬉しい。

2011年度当初に公募が行われる可能性もあるので、

  レポートは、2010年度中(2011年3月まで)にお願いしたい。


★他分野への波及

アストロメトリ(重力多体系の力学構造)

加速器ビーム物理学、プラズマ物理学

重力多体系非中性プラズマビーム

古典ハミルトン多体系、長距離力系

    共通の基礎方程式

(ボルツマン+ポアッソン方程式系) 

自己組織化の物理等:統一的に扱える!

*来年度科研費新学術領域へ申請

*来年度物理学会での

 企画セッション

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(8)世界での小型JASMINEの“役割分担”

GAIA==>銀河系ディスク全域、

        銀河系ハローの

        位置天文情報(距離、接線速度)

地上での分光観測

==>バルジ星を含む銀河系内の 

    星の視線速度、化学組成観測

2012冬打ち上げ予定

2017年頃、初期解析データが出始める

世界で複数の計画があり、

今後数年間~10年で多くの良質な

観測データが出始める。

赤外線位置天文観測衛星である小型JASMINEが、

バルジ星の位置天文情報を提供。上記と相補的。

国際的なプロジェクト連携の成果を出すためにも、

2018年頃に観測データが出ることが重要!

小型JASMINEは2016年頃の打ち上げを目指したい。

そうなれば、さらにGaiaの最終カタログ(2021年)より小型JASMINEの最終カタログ(2019年)の方が先に出せる!! 

バルジ以外の近傍でも一番を狙えるtargetがあるかも。

JAXA宇宙研の小型科学衛星シリーズ3号機のミッション公募への応募(2011年度)を目指して進行中。

55

55

55


小型JASMINEに関する国際協力と支援

★サイエンス面

  ○APOGEEチーム(Hバンドでの分光観測)

    との連携

南天でのAPOGEE-III計画を共同でプロポーザル提出

  ○バルジのサイエンスに関して、

K.Freeman(ANU), M.Rich(UCLA)との協力

★開発、運用面

○焦点面の開発

  オーストラリア国立大学(ANU)のResearch School of Astronomy and AstrophysicsのdirectorであるH.Butcher氏と協議

ANUが、焦点面開発を担当し、オーストラリア政府のAustralian Space Research Programにプロポーザルを出すことで合意(予算要求額は500万オーストラリアドル程度)。

 ○科学データ受信の支援上海天文台から協力の申し出。協議中

 *国外の複数局が利用できるとSバンドだけでも可能=>

   オプションでコストがかかるXバンドが不要となりコスト減につながる。

◎IAU Commission8(astrometry)からの推薦を得ている

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小型JASMINE検討体制(H21年度後半~H22年度)


(9) 小型JASMINE計画の最近の動きのまとめ

(1)総合システム検討と重要技術課題のインハウスでの実証実験が進行中。

衛星メーカーへの総合システム成立性の検討委託(21年度後半)

  新たな技術検討課題(迷光対策)も提起されたが、技術的にはおおよその見込みがついてきた。

    ただし、小型科学衛星の予算枠におさめるための努力、検討が必要。

  コスト対策:観測波長の短波長化。海外協力による外部資金獲得など。

   衛星メーカーへ2度目の詳細検討を委託中

(2)国際協力(開発&サイエンス)の進展!!

 ○オーストラリア国立大学が小型JASMINEの焦点面開発を担当し、オーストラリア政府に

     プロポーザルを提出することになった(500万オーストラリアドル)。

    ○近赤外線よる高分散分光サーベイ観測を行うAPOGEE計画チーム(米国)と共同で、バルジ観測

     に適した南天の望遠鏡にAPOGEEと同じ高分散分光器を取り付け、バルジの分光観測を行う

APOGEE-III計画のプロポーザルを共同で提出した。

    ○上海天文台より、小型JASMINEのサイエンスデータ受信を中国内で受信するサポートを行いた

     いとの提案がきている。

(3)小型JASMINEサイエンスWGの活動開始

   小型JASMINEサイエンスWG(代表は、梅村雅之氏(筑波大))が活動を開始し、会合やワーク

    ショップを開催した。今後、22年度末までに小型JASMINEのサイエンスレポートを作成。

    その後もコミュニティの拡大、若手の育成を行い、データが出た暁には中心メンバーとなって

    サイエンス成果を出していく。


III. (中型)JASMINE計画について

○口径:約80cm、衛星重量:約1.5トン

○衛星予算:120億円程度

○バルジ全域方向(銀河系中心の周囲20度×10度)を近赤外線(Kwバンド: 1.5mm~2.5mm)で観測。

○目標精度:

絶対年周視差:

~10 m as for Kw<11mag

固有運動:

~7 m as/yr for Kw<11mag

天球上の位置: ~7 m as for Kw<12mag

(限界等級:Kw=14mag)

60


61

61


打ち上げ目標:2020年代

 予算規模も大きく、強力な組織、技術力も必要

全面的な海外協力も視野に入れている。

例.1.ヨーロッパとの協力

ESAに共同で申請(?)

GaiaのP.I. (project scientist)である、

Timo Prusti(ESA)と相談。随時、連絡をとりあう。

*申請のチャンスがあれば、約2,3年後が狙い目。

★国内のWISHグループ(PI:山田亨氏)等、

  他のスペースプロジェクトとの協力も相談開始

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   ご支援、ご協力をよろしく御願いします。

Jasmine

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