DECIGO-PF1 検討会 経緯 2004年12月 JAXAで「小型衛星計画の提案募集」が行われた。公募して、実際に打ち上げる、というも

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1 DECIGO-PF1 検討会 経緯 2004年12月 JAXAで「小型衛星計画の提案募集」が行われた。公募して、実際に打ち上げる、というも
　　　のではなく、今後の参考にするための意見募集のような性格のものだった。 2005年  1月 　　　内容はともかく、こういう機会に手を挙げておくことは大事である、ということで、時間が無　 　　　い中、急いで取りまとめて提出。安東が時間がほとんどとれなかったため、安東が過去に 　　　書いた科研費申請書などを元に、宇宙線研の三代木氏がほとんどの文章を取りまとめる。 　　　当時、DECIGO関係の科研費が採用されていた経緯もあり、安東が代表者になった。 2005年-2006年 　　　幾つかのJAXA内の小型衛星シンポジウムで、この募集の結果の話題が出る。「30ほど応 　　　募があった中で、よく考えられているものからそうでないものまである」という文脈で紹介さ 　　　れており、我々のものは、明記はされていないが、「そうでないもの」の扱いにされていた。 2006年 3月  　　　「宇宙重力波干渉計検討会-小型衛星とDECIGO－」のミーティングの際にJAXAの斎藤 　　　氏(オーロラ観測小型衛星「れいめい(INDEX)」の責任者)から、改訂するなら、随時受け　　　 　　　付ける、という旨を聞き、改訂することにする。申請中であった新特定領域研究の結果と、 　　　5月に予定されていたDECIGO-WGミーティングの結果を受けて改訂することにした。 2006年 5月 科研費・新特定領域研究の落選のショックもあり(?)、検討は、ほとんど進まず。 2006年 7月  　　　この改訂版は、DECIGO-PF1に相当するものとし、内容を検討にすることにする。 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

2 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： 小型衛星の構想募集 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)
宇宙科学に関する小型計画の構想募集について 宇宙科学研究本部では、飛翔体を用いた宇宙科学研究の推進のため、従来からの中型衛星による観測・実験に加えて、小規模計画の検討をしています。次の３種類のいずれかについて構想をお持ちのグループは積極的な提案をお願いします。 （１）小型衛星計画 宇宙のより遠くを観測したい、あるいは、より遠くへ探査の手をのばしたい、という願望は、「宇宙科学」の根源的な原動力です。その方向を追求する結果として、より大きな予算、人員、時間を要する計画へ移行していく傾向は、科学目的追及の面からは、不可避のことかと思われます。しかし、大型化の方向ばかりに傾くことは、衛星計画の開発サイクルが長期化し、タイムリーな計画をたてにくくなり、着実な技術実証のステップを踏みにくくなる、というような弊害も生み出します。われわれは、これからの宇宙科学プログラムの中で、当面M-Vによる中型規模の衛星・探査機計画を主力計画として推進を図ることを前提とした上で、できるだけ開発期間を短くし、コストも下げ、比較的手軽に、衛星実験を行うことのできる、小型衛星を打ち上げ、運用するシステムを立ち上げる必要があると考えています。しかしながら、現時点では、共通バスを用意していくことや、衛星設計をともに進める支援システムの用意、あるいは、打上げをどのような形で行っていくかなど、検討すべき課題があります。そこで、宇宙科学の各コミュニティ・グループからの情報を得て、小型衛星計画の実現をターゲットに種々の検討を進めさせていただきたいと考えております。 なお、小型衛星としては、次のような規模を考えています。 ・衛星軌道と重量（上限重量は、あくまで目安とお考え下さい。） ・高度　 km、軌道傾斜角31度 400 kg程度以下 ・極軌道 kg程度以下 ・赤道トランスファー軌道（GTO） 150 kg程度以下（要二次推進系） ・ミッション機器重量は、衛星重量の20%程度が目安。搭載ミッション機器開発の予算規模は最大10億円程度。 ・三軸姿勢制御（精度1分角程度）可。 計画構想としては、次の点をお書きください。A4、10枚以内でお願いいたします。 １） 計画の目的（科学的、または、工学的「鋭い切り口」が、少なくとも一つあること） ２） 目的を達成するためのミッション機器の構成、これまでの準備状況（技術的に、数年のうちに実現できること） ３） 衛星のバス系に対する要求事項 ４） 想定する開発スケジュール・予算規模 ５） 開発チーム構成（計画を推進する、自分の手を動かす「母体」がグループとしてあること） ６） 背景のコミュニティの長期計画とその中での位置づけ DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

3 DECIGO-PF1 検討会 会合の趣旨 この募集は、意見募集のような性格のものであり、 研究費やミッションの公募ではない。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　研究費やミッションの公募ではない。 　　 改訂が予算に直結するものではない。 ただ、重力波分野が、衛星打ち上げを真剣に検討していることを、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　JAXAに認知してもらうことは重要である。 　　　　　　(前回提出したものの印象は良くない) その一方で、DECIGO実現のために、 　　　　　　DECIGO-PF1の詳細設計を、具体的に進めていく必要がある。 今回の改訂の機会に、DECIGO-PF1の概念設計を見直し、 　　　　　そのコンセンサスを形成し、それを提案書に盛り込みたい。  今後、DECIGO-PF1の詳細設計を進める上での土台にしたい。 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

4 DECIGO-PF1 検討会 検討項目 科学的目標 重力波源、目標感度 (外乱の見積もり) 技術的目標
　　　重力波源、目標感度 (外乱の見積もり) 技術的目標 　　　ドラッグフリー、光源安定化、FP干渉計制御 　　　ミッション成功基準 ミッション機器構成 　　　ドラッグフリー、レーザー光源・安定化システム、 　　　FP共振器、ローカルセンサーなど 衛星仕様 大きさ、重量、軌道、寿命 データレート 　　　スラスタ スケジュール・予算規模 開発チーム構成 　　　メンバー、分担 　　　開発体制 文章の書き方 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

5 LISA DECIGO-PF1 (1) DECIGO DECIGO-PF コレ
予備概念設計 R&D・概念設計 高度なR＆D・予備設計 最終設計・試験・製作 観測 DECIGO PF-1 設計・試験・製作 観測 コレ PF -1 PF-2 設計・試験・製作 観測 DECIGO PF -2 LISA LPF ESA単独? LISA 遅れる可能性大 BBO 目標 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

6 DECIGO-PF1 (2) DECIGO-PF1 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-PF1) で試験 　　衛星のサイズ : 70cm立方, 50kg, 1 機 　　開発期間 : 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 重力波観測のための装置 Fabry-Perot干渉計, 安定化光源, シールド部のドラッグフリー 制御 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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　を利用した重力波観測実験 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

7 DECIGO-PF1 (3) DECIGO-PF1方針 開発・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 大きさ10cm程度のFP共振器による重力波観測 　　地上での観測が困難な Hz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 ドラッグ・フリーの組み込み 必要とされる要素技術 　　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 　　干渉計を用いた計測システムの開発・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 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

8 DECIGO-PF1 (4) DECIGO Pathfinder1 Single S/C with Test mass
Laser interferometer Drag-free system Objectives Cavity locking in space Modest sensitivity at 0.1 – 1 Hz  GW observation Details: TBD Local Sensor Actuator Thruster Fig: S. Kawamura DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

9 DECIGO-PF1 (5) 干渉計の構成 テストマス : アルミテストマス, 質量 1kg
レーザー光源 : 倍波Nd:YAGレーザー, 出力 100mW 周波数安定化 : 外部共振器を基準 ファブリー・ペロー共振器に入射 パウンド・ドレーバー法 　　　　　　　　により信号取得・制御 共振器フィネス : 100 共振器長 : 10cm程度 特徴 : 出来るだけシンプルな光学構成 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もの DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

10 DECIGO-PF1 (6) 機械系の構成 主干渉計 : 干渉計プラットホームから制御される
シールドに覆われる (磁気, 脱ガス, 宇宙線の遮蔽) 磁気シールド部 : S/C 内に保たれるようにドラッグフリー制御 　　 (衛星用スラスタ, シールド部へのアクチュエーターを併用) 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 : 衛星の機械的外乱： 　　　 　　ドラッグフリー制御により低減 電磁気的外乱: シールドにより低減 温度変化: シールド (+能動制御) DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

11 DECIGO-PF1 (7) 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 : 106, 温度 : 300K DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

12 DECIGO-PF1 (8) 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 　( Hz) 　　　 パルサータイミング h ~10-14 　(10-8 Hz) DECIGO-PF1 大質量 ブラックホール連星合体 中性子星 連星合体 LISA 重力崩壊型 超新星爆発 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) パルサー 　　 (1yr) ScoX-1 (1yr) DECIGO 基線長 107 m, マス 100kg, レーザー光 10W, 波長 532nm テレスコープ径 1m LCGT 重力場変動雑音 (地上検出器) DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

13 DECIGO-PF1 (9) 重力波源 連続重力波, バックグラウンド重力波 (1年間の観測, 2台での観測を仮定) (1年間の観測)
重力波源　 連続重力波, バックグラウンド重力波 (1年間の観測, 2台での観測を仮定) (1年間の観測) DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

14 DECIGO-PF1 (10) バースト的重力波 BH準固有振動からの重力波 1Mpc程度の観測可能距離 m = 105 Msun のとき
f ~ 1 Hz 1Mpc程度の観測可能距離 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

15 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： LPF (Gerhard氏より)
　LPF goal　 m/Hz-1/2 (10-2 Hz) Prototype　<10-12 m/Hz-1/2 (10-2 Hz) (低膨張率ガラスで組まれたマイケルソン干渉計) DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

16 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： れいめい重量配分 (坂井氏より) DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

17 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： 光源安定化 (武者氏より) 2段振り子懸架 垂直保持 熱シールド 20Hz/√Hz@1Hz
参考資料： 光源安定化 (武者氏より) 2段振り子懸架 垂直保持 熱シールド 101 101 101 10-1 M.Notcuff,Opt.lett.30(2005)1815 M.Musha Opt.Comun180(2000)166 V.Leonhardt&J.Camp LISA WG 2005/12/5 ●宇宙空間での動作 無重力下での保持 衛星本体の振動 打ち上げ時の振動 機械的安定性 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

18 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： 観測とデータ取得 観測方法 : 衛星の軌道に依存する 地球重力場(潮汐力)による雑音
　　 地球重力場(潮汐力)による雑音 (軌道高度, 検出器の設置方向) 0.1-1Hz 付近の重力波をメインターゲットとする 周波数帯の切り分けによって, 信号成分と雑音成分を区別する　　 データの取得 　　主なデータの取得 : 20Hz, 16bit, 8チャンネル データレート bps (27.6MByte/day, 830MByte/month) モニタデータの取得 : 1Hz, 16bit, 64チャンネル データレート bps 太陽指向極軌道 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)

19 DECIGO-PF1 検討会 参考資料： 研究計画 (旧バージョン) 1年目 ： 概念設計およびブレッドボードモデルの開発
参考資料： 研究計画　(旧バージョン) 1年目 ：　概念設計およびブレッドボードモデルの開発 　　　ブレッドボードモデルを作製し，その動作を行なう．衛星本体とインターフェース部の 基本設計を取りまとめ、それら結果を元に，DECIGOパスファインダーの基本設計を固める． 2年目 ：　ブレッドボードモデルの性能評価とエンジニアリングモデルの設計 　　　ブレッドボードモデルの性能の評価と感度の向上実験を行い，雑音に関して所定の要求値を満たすよう 改良を行う (歪み感度で10-16/Hz1/2) ．また，それらを元にエンジニアリングモデルの設計に取り掛かる． 3年目 ：　エンジニアリングモデルの製作 　　　他の開発要素 (ドラッグフリー制御技術、Nd:YAGレーザー光源、外部共振器による周波数安定化) 　　　の開発成果の供与を受けて，重力波観測装置部のエンジニアリングモデルを製作し，各種試験を行う． 　　　それらの結果を踏まえて，実際に打ち上げる衛星全体の詳細設計を完成させる． 4年目 ：　フライトモデルの開発 　　　これ実際に打ち上げる衛星(フライトモデル)の製作に取り掛かる． 5年目 ：　実機の最終試験 　　　フライトモデルの振動試験・宇宙環境試験を行なう． 6年目 ：　打ち上げと動作 　　　打ち上げと重力波観測を行なう．　 DECIGO-PF1 検討会 (2006年08月04日)