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小型科学衛星 LiteBIRD のシステム要求分析 II

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小型科学衛星 LiteBIRD のシステム要求分析 II - PowerPoint PPT Presentation


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Lite (light) Satellite for the studies of B -mode polarization and I nflation from cosmic background R adiation D etection. 小型科学衛星 LiteBIRD のシステム要求分析 II. 高エネルギー加速器研究機構(KE K) 素粒子原子核研究所 宇宙背景放射(CM B) 実験グループ 羽澄昌史、他  LiteBIRD Working Group ( メンバーリストは次頁 ). 日本物理学会秋季大会(弘前大学) 2011 年 9 月 17 日.

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Presentation Transcript
litebird ii

Lite(light) Satellite for the studies of B-mode polarization andInflation from cosmic background RadiationDetection

小型科学衛星LiteBIRDのシステム要求分析II

高エネルギー加速器研究機構(KEK)

素粒子原子核研究所

宇宙背景放射(CMB)実験グループ

羽澄昌史、他 LiteBIRD Working Group

(メンバーリストは次頁)

日本物理学会秋季大会(弘前大学)

2011年9月17日

litebird jaxa 2008 9
LiteBIRDワーキンググループ(JAXA小型科学衛星ワーキンググループの一つ:2008年9月設立)LiteBIRDワーキンググループ(JAXA小型科学衛星ワーキンググループの一つ:2008年9月設立)

高エネルギー

物理学

天文学

学際的な

共同研究(約50名)

宇宙論

素粒子論

超伝導・

低温工学

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

竹井洋、福家英之、松原英雄、満田和久、山崎典子、吉田哲也(ISAS/JAXA)、 ASTRO-H, SPICA, DIOS, 大気球

篠崎慶亮、佐藤洋一、杉田寛之(ARD/JAXA)、

石野宏和、樹林敦子、美馬覚(岡山大理)、

Adnan Ghribi、William Holzapfel、Bradley Johnson、Adrian Lee、 Haruki Nishino、Paul Richards、Aritoki Suzuki、Huan Tran (UC Berkeley)、 POLARBEAR, EBEX, APEX, EPIC, BICEP, SPT

Julian Borrill (LBNL)、 Planck

大田泉(近畿大)、

吉田光宏(加速器/KEK)、

石徹白晃治、片山伸彦、佐藤伸明、田島治、茅根裕司、永井誠、永田竜、羽澄昌史(主査)、服部香里、 長谷川雅也、松村知岳、森井秀樹(IPNS/KEK)、  QUIET, POLARBEAR (松村はさらにPlanck, BICEP, EBEX)

井上優貴、清水景絵、渡辺広記(総研大) 、

高田卓(筑波大) 、

木村誠宏、 都丸隆行(低温セ/KEK)、 POLARBEAR

小松英一郎(UT Austin)、 WMAP

鵜澤佳徳、関本裕太郎、野口卓(ATC/NAOJ)、

服部誠(東北大理)、

高木 雄太、中村 正吾、村山 慧(横浜国大)、

大谷知行(理研)

コンサルタント: 小玉英雄(KEK)、中川貴雄(JAXA)、川邊良平(NAOJ)

slide3

回転軸

視線

LiteBIRD概要

スケジュール:

2019年度打ち上げ

2年間の運用期間

3年間のデータ解析期間

2025年度プロジェクト終了

副鏡

(4K)

半波長板

(1/fノイズ低減、変調)

主鏡

(4K)

焦点面

検出器

(100mK)

軌道:

L2とLEOを検討中

冷凍機システム

(JT/ST + ADR)

ソーラーパネル

  • 宇宙背景放射によるインフレーションの検証
  • ミリ波(50-250GHz)の偏光度全天観測

小型衛星

標準バス

重量目標:450kg

電力目標:500W

2011 3
前回(2011年3月)の学会発表まとめ
  • ミッションの説明
  • サブシステム設計進行状況
    • 軌道: L2とLEOの比較
    • 焦点面検出器アレイ: TESオプションの具体例、 TES以外の検出技術R&D
    • 光学系: 反射光学系の具体例
    • テレメトリー: 機上データ圧縮と転送レートの具体例 
    • スキャン: コマ状スキャンの具体例

計7講演

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide5
本発表の内容
  • ミッション要求の再定義
  • システム要求の再定義
    • 測定誤差の要因(以下の4つ)のそれぞれについて考察
      • 統計誤差
      • 重力レンズBモード
      • 系統誤差
      • 前景放射  r<0.001達成 次のトーク(片山さん)

オプションを減らしコンフィギュレーション

設計へと移行するためのステップ

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide6
ミッション要求の再定義-ミッション審査を想定した再定義-ミッション要求の再定義-ミッション審査を想定した再定義-
  • 代表的インフレーションモデルを完全チェック
      • rの誤差(統計⊕系統⊕前景放射⊕重力レンズ)への要求dr < 0.001

解説

Lythの関係式

  • Large field inflation ↔r ≳ 0.002
  • rの上限(95%C.L.)< 0.002  Large field inflation棄却
  • r > 0.01(多くのモデル) 10s以上で原始重力波発見!  インフレーションエネルギー決定!

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

l itebird
LiteBIRD焦点面感度要求

測定のノイズレベル:全天観測で2 mK・arcmin以下

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird
LiteBIRD焦点面

UC Berkeley TES オプション

3色(100/150/220GHz)

Bolometers

100GHz

Sinuous antenna

2色(60/100GHz)

150GHz

1926 TES bolometers

(POLARBEAR2の約1/4)

@100mK (Al/Mn)

220GHz

2 mK・arcmin

(w/ 4K mirrors)

Fabricated Triplexer Filter

このオプションとほぼ同じ構成でr<0.001を達成(2011年3月学会・永田のトーク)

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

l2 vs leo
L2 (ラグランジュ点)vs. LEO(地球周回)

茅根

永田

3シグマ発見領域

L2 case

LEO

Katayama-Komatsu 2011

L2

前景放射除去と系統誤差を考慮すると

LEOはぎりぎり、L2なら若干余裕あり

L2では、最近Planckで宇宙線による影響が大きいと報告あり。LiteBIRDでの影響を検討中

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide10
系統誤差

(特にlow lで)最大のものの

一つ = Differential gain (Dg)

ClBBDg = f(Dg)2ClTT

f:変調による抑制

 (空の回転と半波長板)

  • Instrumental polarization
  • Cross polarization
  • Scan Synchronous signals
  • Thermal stability
  • Others

lの全ての範囲でClBBDg< ClBBlensを要求すると、

変調による抑制がない(f=1)場合Dg < 10-4

f=0.01を仮定するとDg < 10-3

fについては

次頁

システム要求:f<0.01, Dg<0.001

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

cl bb d g
光学系の回転によるClBBDgの抑制

才差運動するコマのような

スキャンストラテジー

連続回転する半波長板(HWP)

により、偏光の向きを回転

回転半波長板の例

T. Matsumura,

doctoral thesis

上記二つにより、f<0.01は達成できる見込み。

真の問いは、HWPなしで達成できるかどうか?

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide12
まとめ
  • 現状
    • 統計誤差
    • 重力レンズBモード
    • 前景放射: r<0.001達成(次のトーク)
    • 系統誤差: 進行中
  • 今後の課題
    • 系統誤差に関するシステム要求の完成
    • コンポーネントオプションの絞り込みなど、システム設計のイテレーション

まとめてr<0.001達成

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide13
バックアップ

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

jaxa system design framework
JAXA system design framework

mission

requirements

top-level diagram

system design

mission components design

architecture design

requirements

for mission

components

mission

components

specifications

system

requirements

analysis

configuration

design

design

(system/

subsystem)

analysis/

validation

tests

requirements

for system

system feasibility evaluation

constraints

preconditions

data disclosure

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

what powered big bang
What powered Big Bang ?
  • 宇宙の起源 = 宇宙科学のグランドチャレンジ
  • ビッグバン以前 = 現代宇宙論最大の課題

LiteBIRDはこの大問題に

真っ向から挑む小型衛星

C

50GHz – 250GHz

M

B

観測内容

  • 宇宙背景放射
  • (Cosmic Microwave Background
  • = CMB)
  • の偏光度を全天で超精密観測

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide16
CMB偏光観測の意義
  • ビッグバン以前に何があったかは、偏光(方向のある情報)でしかわからない!

(他の方法では感度が悪い)

ビッグバン以前を記述する

最有力かつ「非常識」な仮説

CMB

ビッグバン

「空間の量子ゆらぎ」をともなう

宇宙の急激な加速膨張

= インフレーション仮説

  •  原始(背景)重力波の生成
  • CMB偏光マップに“渦”を生成

CMB偏光観測は、

インフレーション検証の切り札

時間の矢

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide17
干渉計重力波探索との関係

CMBのほうが感度が高いので、原始重力波の発見にはCMB偏光Bモードがベスト。

CMBによる原始重力波の

発見は、将来の干渉計

重力波探索に定量的な

大目標を与える。

CMB偏光Bモード観測は

従来の光学観測と

将来の重力波観測との

懸け橋となる!

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide18
要求される観測精度

測定精度

1K

CMBの発見(ペンジャス、ウィルソン) 1978年ノーベル物理学賞

「ビッグバンの証拠」~3K

1mK

CMB非等方性の発見~30mK、プランク分布の証明(スムート、マザー) 2006年ノーベル物理学賞 

「インフレーション宇宙を示唆、時空の量子揺らぎの証拠」

測定精度の向上

発見から揺らぎの精密測定へ

WMAP, PLANCK : 解像度の向上  宇宙年齢、ダークエネルギー

1mK

現在、日米共同でこの辺の感度で地上実験準備中

LiteBIRD(日本が主導)

1nK

数nKのでこぼこをとらえる“超伝導ミリ波カメラ”

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide19

発見の可能性大!

(勿論、観測のみが真実をもたらす)

2010

2011

地上観測

2013

3シグマ“発見”領域

~2014

Planck

CMB偏光“渦” (“Bモード”)

のパワースペクトル:

代表的なインフレーション

理論の予言

LiteBIRD

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

l2 vs leo1
L2 vs. LEO

3シグマ発見領域

LEO

L2

前景放射除去と系統誤差を考慮すると

LEOはぎりぎり、L2なら若干余裕あり

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

slide21
何故、小型でやるか?

10

1

角度分解能は

0.5度(@150GHz)

で十分

有効直径~50cmの

望遠鏡でよい

LiteBIRD

  • 小型なら世界に先駆けて打ち上げられる
  • 小型で究極の観測ができる!(小型の方がミラーの冷却が楽)
  • 「どうしても衛星でしかできないこと」をやる。地上大望遠鏡で相補的観測をおこなう。

欧米は、中-大型(~1000億円?)、多目的、2020年代中盤以降の可能性大

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird1
LiteBIRD光学系

回転半波長板

光学系全体を

極低温に冷却する。

空からの

入射光

30cm

副鏡

半波長板

T. Matsumura,

doctoral thesis

利用可能な焦点面

焦点面

主鏡

30cm

設計は完了、現在、

プロトタイプ試験中

GroundBIRD(後述)で使用

50cm

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

l itebird1
LiteBIRD焦点面感度要求

測定のノイズレベル2 mK・arcmin以下

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird2
LiteBIRD 観測波長の決定
  • 前景放射の除去  50GHz-250GHzで5バンド

最近の進展

N. Katayama and E. Komatsu,

ApJ 737, 78 (2011)

(arXiv:1101.5210)

pixel-based polarized foreground removal

(モデルによらない)

バイアスはr~0.0006程度

(60,100,240GHzの3バンド)

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird3
LiteBIRD焦点面(続き)

MKID オプション :  信号多重化が容易

:国立天文台ATC+理研+KEK+岡山大(新学術領域「宇宙創成の物理」)

NEP ~ 10-17WHz-1/2

を既に達成(ATC)

新しい読み出し方式

(tesonant tracking)

を開発(KEK/岡山)

MKIDの原理

ミリ波(96GHz)検出

CMB(ミリ波)以外の波長にも応用可能。日本で自在に大焦点面検出器アレイが作れるようになることが、我が国の宇宙電波天文観測の将来にとって極めて重要。 CMB観測R&Dにより貢献したい

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird4

高田・都丸・

松村・満田・SHI

LiteBIRD熱設計

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

予冷系の熱解析を行った結果、冷却マージン28.8%の解が成立。構造解析も併せて行い、トラス構造の場合の剛性評定は小型衛星の要求仕様に近い値を達成。

3段ADRについて検討。観測中漏洩磁場はADRから100mmの距離を取れば0.5Gaussまで下げられる。重量は32kg。

litebird daq
LiteBIRDDAQ・テレメトリー

石野

データ圧縮実装試験実施済み

Planckと同様の方法で

Virtex-5QV

2個相当のLUT

  • 技術的挑戦
  • 機上データ圧縮
  • 10GB/dayのデータ転送

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird l2
LiteBIRDL2軌道・スキャン

θBS = 55,θAS = 45

3rpm

90min.

日本物理学会2011年秋季大会(弘前大学)    羽澄昌史(KEK)

litebird l21
LiteBIRDL2軌道・スキャン
  • Pros
    • 理想的な環境  系統誤差最小
    • 地球、月の影響がない  常に観測可能
    • 熱設計等がよりシンプル
  • Cons
    • L2へ行くこと
    • 宇宙線の影響(glitches)

観測時間

クロスリンク

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