小型JASMINE計画の現状
矢野太平(国立天文台)
21世紀の位置天文観測
地上での観測からスペースでの観測へ
1989年Hipparcosよりスペースからの位
置天文観測が幕を開ける。
Hipparcos は1ミリ秒角の精度
⇒100pcまでしか距離が高精度に求められない
⇒10マイクロ秒角の時代へ
GAIA、 JMAPS
JASMINE計画シリーズ
国立天文台JASMINE検討室で計画している
一連の位置天文観測衛星計画
Nano-JASMINE
・超小型衛星による位置天文観測
・日本初の位置天文観測衛星
(Hipparcos 衛星に次いで世界でも2番目)
・2011年打ち上げ
(ウクライナのサイクロンー4ロケットを用いてブラジルアルカンタラ発
射場からの打ち上げが決定された。)
Nano-JASMINE概要
衛星外形
質量
主鏡口径
観測波長
検出器
ミッション期間
50cm×50cm×50cm
35kg
5cm
zw-band 中心波長0.8μm
完全空乏型CCD
2年
Nano-JASMINE観測手法
•
•
•
•
全天サーベイ観測
2方向同時観測(Hipparcos, GAIAと同じ手法)
スピン周期100分(地球周りの公転周期と同期)
スピン軸 太陽と45°(スピン軸回転周期2ヶ月)
Nano-JASMINE精度
全天サーベイ観測
観測等級
zw=7.5mag
位置決定精度
~2.6mas
• 年周視差
~3mas
• 固有運動精度 ~2.3mas/yr
•
~0.1mas/yr (ヒッパルコスと結合した場合)
z-band等級
星の数
位置決定精度
7.5
200,000
~3mas
10
1,500,000
~10mas
11
3,000,000
~20mas
-参考-
V等級
星の数
位置決定精度
ヒッパルコス
~8
120,000
~1mas
ティコ
15
2,500,000
7mas
(<7mag)
25mas (<10.5mag)
60mas (<11.5mag )
Nano-JASMINE望遠鏡部
ビーム混合鏡
主鏡
ミラーをフレームに取り付けて組み上げた望遠鏡。
Nano-JASMINEのフライトモデル搭載のミラー。
特殊なアルミ合金にて製作し表面には
クロムと金を蒸着させている。
Nano-JASMINEフライトモデル概観
• フライトモデル
Nano-JASMINE今後
• 22年度
FMの完成(製作はすでに完了、評価試験)
打上げ準備
運用とデータ解析の準備(GAIAチームとの国際連携)
• 23年度 6月 射場に輸送
打上げ前最終試験
8月 打上げ
運用、データ解析
• 25年度 カタログ公開
小型JASMINE
小型JASMINE
・ JASMINEシリーズ第2ステップの衛星
小型JASMINE
小型JASMINE
・ 可視光線では十分観測できないバルジ領域を中心波長1.4ミクロンの
近赤外線(1.1μm<λ<1.7 μm)で数平方度にわたって星の位置、距離、
固有運動の測定をHw=11.5magで10μas精度(位置7μas、年周視差
10μas、固有運動~9μas/yr)でおこなう
・ バルジの構造や形成史をはじめ、系外惑星探査、重力レンズなど、
・ 小型科学衛星(JAXA宇宙研を中心とし開発が進められている、標準
バスを用いる小型科学衛星シリーズ)を想定した位置天文観測衛星
・ 小型科学衛星3号機を目指す
観測装置(光学系)
光学系
改良コルシュ(3枚鏡)
観測波長
中心波長1.4μm
(1.1μm < λ < 1.7μm)
口径
30cm
焦点距離
3.9m
検出器
HgCdTe検出器(4K×4K)
ピクセルサイズ 10μm
JASMINE光学系概観図
検出器個数
1
視野角
0.65度×0.65度
小型JASMINE仕様
•
•
•
•
主鏡口径30cm
ミッション部重量400kg
観測波長1.1μm~1.7μm
運用温度(望遠鏡部180K~200K、検出器部
170K~180K)
• 鏡材 合成石英
• 構体 CFRP
• 軌道 高度600km地球周回軌道(昇降点地方時
6時太陽同期軌道)
観測精度
領域1 (~1平方度)
領域2(~8平方度)
位置決定精度
7μas
40 μas
年周視差
10μas
54μas
固有運動
9μas / yr
50μas / yr
観測手法
• 望遠鏡を観測方向へ向け撮像をお
こなう。
(撮像フレーム内の星の位置を~100分の1
ピクセルで求める。)
• 観測領域を撮像フレームで埋め尽く
し、大フレームを構築
• ミッション期間中大フレームを作成し
(数万枚)、そこから外部参照天体を
利用しながら位置、固有運動、年周
視差を求める(~10μas:数万分の1
ピクセルレベル)。
目標精度達成までの観測の流れ
目標精度達成までの観測の流れ
星像中心決定
目標精度達成までの観測の流れ
望遠鏡熱安定性
目標精度達成までの観測の流れ
望遠鏡志向安定性
重要課題
• 星像中心決定
誤差分散が1/√N則で落ちるかの実証実験
~10000枚オーダの画像データによる実験
・望遠鏡の熱安定性
熱構造モデル構築と計算により画像歪量を計算
実証実験にむけた準備
• 望遠鏡の指向安定性
TTMによる制御方式の検討
実証実験にむけた準備
星像中心決定
本当に10μ秒角(10-4~10-5pix)の位置決めが出来るのか?
アルゴリズム誤差、ディストーションなど、系統誤差を適切に取り除いた
星の位置の誤差がランダム誤差として1/√N 則にしたがって落ちて
いくか。
手順
1.
2.
1回の撮像で ~100分の1ピクセルレベルの位置決めが出来るか
多数枚の撮像で想定通り1/√N則で誤差が落ちていくか
星像中心決定
セントロイド実験装置概観
星像中心決定
実証実験の結果
1回の撮像あたり~100分の1ピクセル
レベルで位置決め
1セット画像数と誤差分散の関係。画像数
に応じて誤差分散は小さくなる。
望遠鏡の熱安定性
40分の間、焦点面上の画像が0.1nm以下の変動に抑えるか、変動をモデル
化する事が必要。(変動を抑えるためにはmKオーダーの管理が必要)
そこで。。。
アルゴリズム
・望遠鏡部温度変動は~1K/40分以下に抑える。
・画像1次変動、2次の変動は0.1nmを超えて変動する事を許す。
・3次以上の変動0.1nm以下とする。
・1次、2次の変動量は多数撮像した観測画像より解析的に求める。
以上アルゴリズムがうまく機能するかの検討を行った。
望遠鏡の熱安定性
•
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•
•
•
構造モデルの作成
光学系まわり熱境界条件の計算
熱変動量の計算
ミラー支持構造熱変動⇒画像歪み
ミラー自身の歪み⇒画像歪み
検出器歪み⇒画像歪み
以上、望遠鏡歪みに伴う画像の歪みを
求めたが3次以上の歪みは0.1nm以
下に抑えられている事が確認された。
望遠鏡の熱安定性
• 熱変動特性の実証実験
望遠鏡のクリティカルな部分を抜き出し3次以上の変動が
0.1nm以下の変動であることを示す。
レーザー干渉型超精密熱変形センサーで測定(重力波グループの協力のもと)
(1時間の周期の変位に対し20pmの制度測定可能)
冷却/熱入力システム
素材物性値測定、光学系の熱変動特
性を調べるための冷却熱入力システム
•
•
•
熱パスのスイッチングが可能
最大8ch温度同時測定
アルミ板を用いたテストで80Kまで冷却可
能であることを確認
望遠鏡の志向安定性
• 撮像時間(7s)中星像が1ピクセル程度以
上ずれない事が必要。
• 190mas/7sの志向安定性を要求。
• 衛星の志向制御システムのみでは困難
• TTM(ティップティルトミラー)による制御
望遠鏡の志向安定性
TTMの開発(ひのででの実績がある)
・制御信号検出の確認
(複数の星を用いた誤差信号取得の確認←高周波に対応可能なため(RW))
・低温におけるピエゾアクチュエータの動作実験
フィードフォワードによる制御
TTM制御システム実証実験用セットアップ
焦点面
• 焦点面開発(オーストラリア国立大学)
オーストラリアスペースリサーチプログラムに焦点
面開発の応募の合意
小型JASMINE今後
• 総合システムの成立性の確認
• 重要検討課題の検討完了
• ミッション提案へ
まとめ
観測の仕様
光学系パラメータ
仕様
観測領域
観測精度
波長
観測等級
バルジ数平方度
位置7μas, 年周視差10μas, 固有運動9μas/yr
中心波長1.4μm(1.1μm< λ< 1.7μm)
Hw=11.5等
光学系
改良コルシュ(3枚鏡)
観測波長
中心波長1.4μm (1.1μm < λ < 1.7μm)
口径
30cm
焦点距離
3.9m
検出器
HgCdTe検出器(4K×4K)
ピクセルサイズ
10μm
検出器個数
1
視野角
0.65度×0.65度
鏡材、構体
熱環境
軌道
志向安定性
温度安定性
合成石英 CFRP
望遠鏡部180K ~ 200K 検出器部170K ~180K
600km地球周回軌道(太陽同期)
190mas / 7s
1K / 45分
終わり
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小型 JASMINEの現状