Space Infrared Telescope for Cosmology & Astrophysics
SPICA:現状および観測の特徴
について
光赤天連シンポジウム
「望遠鏡時間の使い方:共同利用とプロジェクト」
2011年9月6-7日@京都大学理学研究科
松原英雄、中川貴雄、他SPICAプリプロ
ジェクト(ISAS/JAXA)
Institute of Space & Astronautical Science
Japan Aerospace Exploration Agency
目次
ミッション概要
 プロジェクト現況
 観測装置概要
 観測の特徴・留意すべき点

姿勢制御
 パラレルモードについて
 天空の可視性

CRYO
STA
SIA
FPIA
SPICA Mission Overview

Telescope: 3.2m (EPD 3.0m), 6 K



Core wavelength: 5-210 μm




MIR Instrument
Far-Infrared Instrument (SAFARI)
Orbit: Sun-Earth L2 Halo
Mission Life





Superior Sensitivity
Good spatial resolution
3 years (nominal)
5 years (goal)
Weight: 3.7 t
Launch: FY2018 (original plan)
International mission

Japan, Europe, USA, Korea, (Taiwan)
冷却望遠鏡→感度向上!
Background will be 1 million times smaller than the warm
(passively cooled ) telescope !!
4
Huge Gain of Sensitivity !
Photometry
Spectroscopy
Herschel
Spitzer
Herschel
1.5 orders
2.5 orders
SPICA
SPICA
ALMA
JWST
Key challenge -- Cooling system
1K-JT冷凍機
コンプレッサ
2ST冷凍機
2ST冷凍機
1K-JT冷凍機
コンプレッサ
 機械式冷凍機
 50mK冷凍機
 ヒートフロー
 運用時の極低温部発熱:装置運用
4K-JT冷凍機
コンプレッサ
2ST冷凍機
2ST冷凍機
4K-JT冷凍機
コンプレッサ
Sorption cooler +
ADR
50mK
私たちはどこから来たのか
?

我々の体・住む世界を構成する元素の大部
分は星の中でつくられた
物質の「輪廻」
ガスと塵(星間空間の物質
の1%は固体微粒子)
星間ガス雲
(“星の胎盤”)
星のガス放出は、
どの進化段階で、
どのように起きる?
超新星は塵を作る?
それとも壊す?
星の終焉:
ガス放出/超新星爆
発、塵の生成/破壊
星の誕生
星内部での重元素生成7
私たちがSPICAで明らか
にしたいこと
「我々はどこから来たのか?」
宇宙初期の固体形成から惑星形成までの
物質の輪廻・進化を明らかにしたい。
SPICAの科学目的
(SPICAミッション要求書)
Approaches to perform SPICA Scientific Objectives
〈銀河誕生のドラマ〉
をさぐる
〈惑星系のレシピ〉
をさぐる
[1]
[2]
[3]
銀河の誕生と
進化過程の解明
Resolution of
Birth and
Evolution of
Galaxies
銀河星間空間における
物質輪廻の解明
The Transmigration of
Dust
in the Universe
惑星系形成過程の
総合理解
Thorough
Understanding of
Planetary System
Formation
遠方宇宙/初期宇宙
Distant/Early Universe
近傍宇宙(恒星系)
Local Universe/Stellar system
プロジェクトの進捗

2007: ESA,JAXAでミッション提案



2008: JAXAにおいてプリプロジェクト発足。
2008: 光赤天連SPICAタスクフォース設立。




ESA cosmic visionで“Mission of Opportunity”として採択、
Assessment Study開始。
SPICAミッション要求書を制定
焦点面観測装置の募集・国内審査
2010/09: システム要求審査(SRR)合格。
SRR以降、これまで:



システム定義審査(SDR)とその後のプロジェクト移行に向
けて、宇宙理学委員会における議論が進行中。
リスクの洗い出しとその低減策の検討。
焦点面観測装置の国際審査が進行中

搭載する観測装置・機能の決定
国際協力情勢

欧州(ESA)



欧州(SAFARI)


KASIがPIでチーム結成。焦点面ガイドカメラ担当。SNU,
SATRECと協力
米国


SAFARI (SPICA far-infrared instrument)コンソーシアムが、
SRON (NL) をPI機関として、活発に活動中
韓国


ESA Cosmic VisionのFrame Workの下で議論されてきた。ESA
は望遠鏡の製作と、地上受信局支援を担当。
望遠鏡 study がメーカー2社で継続中
コミュニティは非常に強い後押し、しかしNASAの予算不足
台湾

協力の可能性検討中
観測装置の概要
科学目標から観測機器仕様の
導出フロー
科学目標
目標達成のための観測計画
レガシープログラム
実はここ次第
かも!?
達成するのに必要な観測装置の必須な仕様
•
検出感度
• Herschel(波長>60mm)よりも1.5桁以上の分光感度。
• コンヒュージョン限界の撮像感度。
視野要求: 中間赤外線撮像:4分角以上、遠赤外線撮像:2分角以上
•
解像度要求: 0.35” @5mm (3m口径望遠鏡の回折限界)
•
波長域・波長分解能要求
•
•
5-210 mm (撮像)
•
20-210mm で低分散(R~100)・中分散(R~1000)分光機能
Focal Plane Instruments
 (MCS):中間赤外分光撮像装置
 SCI:コロナグラフ観測装置
 SAFARI:遠赤外撮像分光装置
欧州+α コンソーシアム
 FPC-S:焦点面ガイドカメラ
韓国
 米国提案装置(BLISS)
米国
Herschel
l/dl (dv)
MCS/HRS
10000
(30 km s-1)
1000
(300 km s-1)
100
(3000 km s-1)
SPICA
JWST
MCS/MRS
BLISS
SCI
FPC-S
2 mm
SAFARI
MCS/WFC/LRS
20 mm
Wavelength
Wavelength coverage vs Resolving Power
200 mm
λ
Mid-Infrared Camera and
Spectrometer
5 -- 38mm(--50mm) Camera and Spectrometer
 Wide Field Camera
広視野



High Resolution Spectrograph


R ~ 30,000
高分解能
ll 4--8 mm or 12--18mm (tbd)
Mid Resolution Spectrograph
コア波長域/正確な測定



5 arcminutes square FOV x 2, ll 5--25 and 20--38mm
Spatial resolution 0.35 arcsec @ 5mm (diffraction limited)
IFU by image slicer
R~1500--700 ll (10--20)+(20--36)mm at once
Low Resolution Spectrograph

R ~ 50--100 ll 5-48mm
高感度
MIR Camera &
Spectrometer (MCS)
HRS-L
MRS-S
MRS-L
HRS-S
SPICA Coronagraph Instrument (SCI):
Major science drivers

Characterization of outer exoplanetary systems (including disks)





Characterization of transiting
exopalnets



Transmission spectrum of the transiting planet 
HD 189733 (Swain, Vasisht & Tinetti 2008)
Method: Coronagraphic imaging and
coronagraphic spectroscopy
Wavelength coverage: 3.5-27um
Advantage of SCI: IR spectroscopy,
wide wavelength coverage, stability
Expected results: e.g., Detection and
spectroscopy of >60 exoplanets
(imaging survey + long exposure
spectroscopy)
Method: Monitoring obs. of in/out of
transit
Wavelength coverage: ~1-27micron
Advantage of SCI: Simultaneous obs.
with S- and L-channels, pointing
accuracy, stability
Other science

Sircumstelar disk, Host galaxy of
SPICA Coronagraph Instrument (SCI):
Design and its recent updates



Optical configuration optimized
Mask design has been studied extensively
Simplifications!


No Tip-tilt mirror (robustness of binary pupil mask coronagraph)
No deformable mirror in baseline design (thanks to study of
wavefront error, telescope design, and scientific requirement:
contrast: 10-6 ---> 10-4)
 Technical feasibility much improved
SAFARI – a FIR Instrument for
the SPICA mission
Herschel
SPICA /SAFARI
JWST
•
•
•
•
•
Instantaneous wavelength coverage
from 35 to 210 micron
Camera mode with R~3 to 5
Multiple spectroscopy mode
R = 2000 @ 100 micron
Spatial resolution 3.6~11.5 arcsec
Field of view 2x2 arcmin2
•
•
•
Line sensitivity of <2x10-19 W m-2
(5-σ 1 hour)
Continuum sensitivity of <50 mJy
4 detector options  TES selected
19
SAFARI:
Recent Progresses

Detector Technology Defined (2010)
 Science Verification Review (2010-11)


Key requirements are well defined
Key Technical Issues

Detector Unit (TES + SQUID)






Optimization of Pixel numbers in the shortest wave-band
EMC
FTS Mechanism
Sub-K Cooler
Thermal I/F
Optical I/F & Alignment
FPC (Focal Plane Camera)

Need of FPC



A Focal Plane Camera (FPC) is required as a fine guiding
system for Attitude Control Team
Korean-lead instrument
Development of FPC

FPC-S (FPC Science): Science purpose



Near-IR Imaging & Spectroscopy
Back-up Instrument of FPC-G
FPC-G (FPC Guidance): Fine guiding system

Positional information of identified star
Specifications of FPC
FPC-G
Optics
FPC-S
Refractive optics with lens
Detector Array
1K x 1K InSb
Field-of-View
5 arcmin. x 5 arcmin.
Pixel Scale
Readout Speed
Wavelength Range
Wavelength Resolution
Sensitivity
Operating
Temperature
Cold Mass (kg)
(with 20% margin,
system allocation)
0.3 arcsec.
2 sec
100 – 600 sec
I band (0.8mm)
0.7 – 5mm
R=5
R=5 (imaging) – 20
(spectroscopy)
single channel
21.5 (AB) mag, 5
5 wide band filters + 3 LVFs
27.3 mag (AB), imaging
26.3 mag (AB), LVF
(3, 600 sec)
Structure at 4.5K, Detector at 10K
5
7
US proposed instrument
NASA
called for proposal to study a full US-led SPICA
instrument (NRA ROSES 2009).
Selected 3 proposals
 BLISS
for SPICA: Sensitive Far-IR Spectroscopy Reveals the
Cosmic History of Galaxies and Organic Elements
PI: Charles(Matt) Bradford (Caltech/JPL)
 m-Spec:
A Revolutionary Far Infrared Spectroscopic Capability
for SPICA
PI: Samuel(Harvey) Moseley (NASA/GSFC)
 WISPIR:
Wide-field Imaging SPectrograph for the InfraRed
Co-PI: Lee Mundy (University of Maryland) and Dominic Benford
(NASA/GSFC)
Aug
2010: The US Decadal Survey (astro2010)
committee strongly recommends US participation to
SPICA.
Sep 2010: Final study reports
 We
are now discussing about implementation of the US
instrument.
観測の特徴・
留意すべき点について
姿勢制御に関する留意事項

指向制御精度・安定度(要求値)
指向制御精度 0.135 arcsec (3)
 安定度 0.075 arcsec / 10 min (0-P, 3)
(これらはFPC-Gを使用した運用モードで)


Dithering と静定時間


15arcsecのDitherの場合30秒。60arcsecの場合60秒。
スロースキャン

最大72 arcsec/sec (w/ SAFARI)


FPC-Gの視野(5分角)とサンプリングレート(2秒)による制限が
ある。指向精度・安定度は検討中
マヌーバ-速度:
 最大0.12 deg/sec, (180度マヌーバするのに約
30分)、 および、姿勢安定までにさらに数分。
パラレルモードについて


同時に複数の装置による観測は、原則行わな
い。
理由:衛星リソースに厳しい制限がある




極低温部の発熱 4.5Kステージに15mW以下
データ発生量 4Mbps以下
観測装置用電力 199W以下
今後の詳細設計で、十分なシステムマージン
を保つことができるならば並行運用を例外的
に認めることを検討する。

なお、MCSのWFCは、分光チャンネルと並行して
動作可能
Field-of Views
(with preliminary pick-off for US instrument)
US Instrument pick-off (tbd)
MCS/WFC-L
5’x5’
MCS/LRS
MCS/WFC-S
5’x5’
MCS/HRS
MCS/MRS
Updated on 17th May, 2011
Sun angle constraint limits
the ‘viewing zone’

Spacecraft maneuver allowed in the
‘viewing zone’:
X(Roll) +30°
Y(Pitch)
No Constraints
5°
Sun
+Z
SUN
+Z +Z
Direction
SUN SUN
Direction
Direction
SUN Angle
SUN Angle
+Y +Y
+Z +Z
+Z
Z(Yaw) +3°
Sun
+X +X
+X
SUN Angle
+Y
+X +X
X(Roll) -5°
-1 ~ 25 deg
toward/away
from the Sun for
safety
+X
Sun is in
the back
+Y +Y
+Y
Z(Yaw) -3°
Observation area and period
Observation Angle
constraint;
Roll +25deg. -1deg.
Pitch 360deg.
Yaw constant
Sky Visibility
Contours (days per
year)
29
SPICAはすごい!

Spitzer, あかりの20倍の集光力



圧倒的なイメージングサーベイスピード


SPICAの1時間はSpitzerの20時間
しかも5-210mmを分光で連続的にカバー
銀河コンヒュージョン限界のあまり影響しない
70mm以下の波長帯では、(望遠鏡が暖かい)
Herschel・PACSと比べて100倍感度がよい
しかも面分光!!


MCS/MRSはIFU、拡散光に強い
SAFARIは2分角視野の面分光装置、波長分解能
可変!
SPICAの「威力」:
高感度な多天体同時分光を実現
撮像と共に、34-210 μmの波長範囲を一挙に分光
従来の観測:
撮像  1個づつ分光
2分×2分の視野  数個以上の天体を無バイアスに分光
 スペクトルの違い  天体の距離やエネルギー源診断
Images Rosenbloom, Oliver, Smith, Raab private communication
まとめ

SPICAは3.2mの極低温(<6K)に冷却された望遠鏡
により中間・遠赤外線波長域で圧倒的な高感度を
実現する。



ミッションライフは?



「冷たくないSPICAはSPICAではない」
望遠鏡の指向方向が(ある程度)限られる。並行観測
制限もある。
ノミナル3年(主として機械式冷凍機の設計寿命)。ただ
しL2点への航行と、十分に低温に冷えるまでの時間を
含む。
衛星システムとしては5年間動作するように設計されて
いる
限られたミッション期間を最大限有効に活用する上
で、観測計画(レガシーサイエンス)をこれから練り
上げていることが極めて重要。
ダウンロード

SPICA:現状および観測制約について