小型衛星パスファインダーによる総合的試験 安東 正樹 東京大学 理学系研究科 物理学教室 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 小型衛星実験 (1) - 位置付け - DECIGO-PF コレ DECIGO 　の打ち上げ スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 小型衛星実験 (2) - 概要 - 小型衛星実験 DECIGO実現のためには、各要素技術の地上での入念な試験は不可欠 その一方で、実際に宇宙空間でなければ試験できない項目もある 小型実験衛星 (DECIGO-PF) で試験 　　衛星のサイズ : 30cm立方, 10kg, 1 機 　　開発期間 : 5年 搭載機器 : 　　　基本装置 電源装置, レーザー光源とその周波数・強度安定化システム, 温度安定化システム, 計測・通信システム, 衛星の姿勢制御システム等 基礎物理実験のための装置 ドラッグフリー実験のためのテストマス, レーザー干渉計 宇宙空間における基礎技術の総合的な試験と動作検証 宇宙空間の安定な環境・レーザー干渉計による精密測定技術 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　を利用した基礎物理実験 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 小型衛星実験 (3) - 実験コンセプト - 小型衛星実験案 実験コンセプト : DECIGOのための基礎となること 　　　　　技術開発 : レーザーを用いた精密計測、精密制御　 　　　　　天文・物理的意味のある成果 :　計測実験・観測実験 トップサイエンスがあればなお良い 実験テーマ : 　　 DECIGOの基本設計, 必要な開発項目に依存 重量・時間・リソースの制約との兼合いを考慮して目標を設定 2つの実験案 　　短基線長重力波検出器 : 　　 基線長 10cm程度の小型重力波検出器による観測 　　空間の等方性検証実験 : 　　 現代版マイケルソン・モーレーの実験 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 短基線長重力波検出器 (1) - 概要 - 短基線長重力波検出器 基線長10cm程度のファブリ・ペロー共振器による重力波観測 　　地上での観測が困難な 0.1-10Hzの重力波を観測 　　実際に検出されない場合　 → これまでに無い周波数帯で、上限値を与える 熱雑音スペクトルの直接測定 要素技術 　　レーザー光源の開発・実証試験 　　　　 安定動作するレーザー光源 　　 周波数安定化 　　　　 打ち上げ時の衝撃に対するアラインメントの耐性 　　干渉計の開発・実証試験 　　　　 2点間の距離の精密計測 (ドラッグ・フリー実験) 　　　　 光学素子の精密制御 S/C 姿勢制御 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

短基線長重力波検出器 (2) - 干渉計の構成 - テストマス : 溶融石英, 質量 1kg レーザー光源 : Nd:YAGレーザー, 出力 200mW 光ファイバ結合 周波数安定化 : 光ファイバ・リング共振器を基準 パウンド・ドレーバー法により信号取得・制御 代案 テストマス : Au-Pt, 質量 1kg レーザー光源 : DFB半導体レーザー ファイバ・レーザー 　周波数安定化 : 固定鏡共振器を基準　 アクチュエータ : コイル-マグネット 特徴 : 出来るだけシンプルな光学構成 光ファイバ光学系 　　　→打ち上げ時の衝撃・ミスアラ インメントの影響を受けにくい スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

短基線長重力波検出器 (3) - 機械系の構成 - 主干渉計 : シールドに覆われる (磁気, 脱ガス, 宇宙線の遮蔽) 　　　　　　　 バネで支持 → 共振周波数 ~1-10mHz 適切なダンピング 磁気シールド部 : S/C本体から柔らかく支持 　　　　　　　　　　　　　→ 防振効果 (必要に応じて多段化) 温度安定化 : 磁気シールド部, 基準共振器, レーザー光源 　　　　　　　　　　　の各部分で必要 特徴 : 鏡は弱いばねで支持 　　→ ドラッグフリー制御に 対する要請を緩和 ローカルコントロール, ダンピングは必要 　 　　(受動/能動の選択 　　 　　　← 簡易さと性能の兼ね合いで決定) スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 短基線長重力波検出器 (4) - 感度 - 重力波に対する感度 光源パワー : 100mW, フィネス : 100, 鏡質量 : 1kg 鏡Q値 : 107, サスペンションQ値 : 107, 温度 : 300K スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 短基線長重力波検出器 (5) - 感度の比較 - 他の重力波検出器との比較 本格的な将来計画と比較すると見劣りするが、過去のものよりはやや良い 　　　　　　　　ドップラートラッキング h ~10-15 　(10-4-10-2 Hz) 　　　 パルサータイミング h ~10-14 　(10-8 Hz) 小型衛星検出器 大質量 ブラックホール連星合体 中性子星 連星合体 重力崩壊型 超新星爆発 LISA 銀河系内連星 銀河系内連星 バックグラウンド雑音 初期宇宙 からの重力波 (Wgw=10-14) DECIGO (量子限界) 基線長 108 m, マス 100kg, レーザー光 10MW, テレスコープ径 3m LCGT 重力場変動雑音 (地上検出器) スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 空間の等方性検証実験 (1) - 概要 - 空間の等方性検証実験 　マイクロ波背景放射の 　　　　青方偏移方向とその垂直方向の光速の差 (光路長差) を計測 (DC~低周波数の空間の歪み, 重力波)　 方式 　　　　固定鏡マイケルソン干渉計を回転 要素技術 　　レーザー光源の開発・実証試験 　　　　安定動作するレーザー光源 　　 周波数安定化 　　　　打ち上げ時の衝撃に対するアラインメントの耐性 　　干渉計の開発・実証試験 　　S/Cの姿勢制御・等速回転 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) 空間の等方性検証実験 (2) - 特徴 - 特徴 等速回転実験が可能 　　　これまでの実験 : 　　　　　　地球の自転を利用 　　　　　　　　　→ 低周波数での安定度が要求された 回転させて測定 (観測周波数を高くする) 　　　　　　　　　→ 回転による振動, 　　　　　　　　　　　不均一な回転 (遠心力変動) による雑音 安定な温度環境 (?) 　　　　日周変動の影響を受けにくい 目標とする方向に対する異方性を測定できる (?) 地上実験では、地球の自転か鉛直方向周りの回転に限定 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

空間の等方性検証実験 (3) - 感度の見積り - 基線長10cmの固定鏡マイケルソン干渉計を考える 　　　ULE材質にオプティカルコンタクトで接着 　　　レーザーパワー : 100mW, 波長 : 1064nm 　　　　　　→ 変位雑音レベル : 3x10-16 m/Hz1/2 0.1Hzで回転 → 1年間の観測で 3x108 cycle　 (3x107 sec) 　　　　　　Δc/c ~ 5x10-19 過去に得られた上限値 (Δc/c ~ 2x10-15) を破る 他の雑音源 　　レーザー光源の周波数雑音 → 周波数安定化, 干渉計の対称性 　　 熱雑音 → 材質, 形状, 支持法を工夫 　　 回転にコヒーレントな雑音 　　　　　地球重力場, 地磁気の影響 → 回転軸方向, 軌道を考慮 改良・考察の余地 　　レーザーパワーの増加 　　光共振器の利用 　　パワーリサイクリング 　　機械共振を利用した信号増幅 　　　→ 低周波重力波のアップコンバート観測 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) まとめ 小型衛星によって、 宇宙空間における基礎技術の総合的な試験と動作検証 宇宙空間の安定な環境・レーザー干渉計による精密測定技術 　　　　　　　　　　　　　　　　　　を利用した基礎物理実験 を行なう 実験テーマ :　未定 　 重力波検出器であることを重視 　　　 → 小型重力波検出器 　　基本的な干渉計技術の開発と科学的な成果　 　　　　　　　　　　　　→ 空間の等方性検証実験 　　その他: 等価原理の検証, 逆二乗則の検証　などなど スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)

スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台, 東京) おわり 終 スペース重力波アンテナ(DECIGO) ＷＧ 第３回ミーティング (2005年5月12日 国立天文台,　東京)