小型科学衛星LiteBIRDのシステム要求分析II

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1 小型科学衛星LiteBIRDのシステム要求分析II
Lite (light) Satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection 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) 小型科学衛星LiteBIRDのシステム要求分析IIと題して講演いたします。ＫＥＫの羽澄です。 日本物理学会秋季大会（弘前大学） 2011年9月17日

2 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）
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) 学際的な 共同研究 （約50名） 高エネルギー 物理学 天文学 超伝導・ 低温工学 宇宙論 素粒子論 LiteBIRD衛星計画は、現在JAXA小型科学衛星ワーキンググループの一つとして活動を続けています。これが ワーキンググループメンバーリストです。JAXA,KEK,国立天文台、岡山大、筑波大、をはじめとする日本の研究機関に加え、 POLARBEARで協力しているカリフォルニア大バークレー校が参加しています。 黄色で書かれたCMB観測や関連する衛星プロジェクトなどに携わっているメンバーが参加しており、これらの経験を踏まえて設計をしています。 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

3 LiteBIRD 概要 回転軸 視線 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 半波長板 （1/fノイズ低減、変調） 副鏡 (4K) 主鏡 (4K) 焦点面 検出器 (100mK) 軌道： L2とLEOを検討中 LiteBIRDは宇宙背景放射の観測によるインフレーションの検証を目指した衛星計画で ５０－２５０ＧＨｚのミリ波の偏光度を全天に渡り精密に観測することが必要となります。 4ケルビンに冷却した小型の反射型電波望遠鏡、冷媒を使わない冷凍機システム、 100mKの超伝導焦点面検出器を特長としています。 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

4 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 前回の学会では、ミッションの説明、サブシステム設計進行状況に関して、計7講演がありました。 計７講演 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

5 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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） 本発表では、ミッション要求の再定義についてのべ、それに基づいた システム要求の再定義の作業の進捗について報告いたします。 特に、統計誤差、重力レンズＢモード、系統誤差、前景放射という ４つの測定誤差のそれぞれについての考察について触れます。 ただし、前景放射は次の片山さんのトークにゆずります。 これらは、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に必要なステップです。 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

6 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 Lythの関係式 解説 Large field inflation 　↔　r ≳ 0.002 rの上限(95%C.L.) <  Large field inflation棄却 まずミッション要求の再定義について述べます。ミッション審査を想定し、いわゆるフルサクセスに 相当する基準を明確にしました。 LiteBIRDのミッションは、代表的インフレーションモデルを完全にチェックすること、としました。 定量的には、テンソルスカラー比rの測定誤差の総量を0.001以下に抑えることに対応します。 解説します。Fine tuningを必要とせず、パラメータも少ない代表的インフレーションモデル、 slow roll large field modelでは、Lythの関係式が存在します。上記のrの誤差は、 この関係式の成り立つモデルについて一網打尽に棄却できるレベルを意味します。 実際の多くのモデルでは、r>0.01が予言されており、その場合は10sigma以上での原始重力波発見が期待され、 インフレーションエネルギーを決定することができます。 以下、4つの誤差についてそれぞれ見ていきます。 　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！ 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

7 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 まず、統計誤差に関して。これはBモードのパワースペクトルの予想です。 検出器のノイズレベルが重力レンズＢモードのパワーより十分低いノイズレベルであれば 重力レンズＢモードによって測定誤差が決まること、また、r=0.001でもいわゆる再電離の山のところでは 十分なS/Nが得られることがわかります。従って、これを満足するシステム性能要求として 2microケルビンarcminを課すことにしました。 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

8 Fabricated Triplexer Filter
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) この条件を満たす焦点面のデザインはかなり具体的なものがすでに存在しており、 重力レンズBモードも込みで、この場合r<0.001を達成できることが確かめられています。 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） 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

9 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 統計誤差に関連して、LiteBIRDのオプションのひとつである地球周回軌道では、月が視線に近付いたときに観測できない効果などを 考えると、ミッション達成に関しては、ぎりぎりということがわかります。一方、ラグランジュ点では若干の余裕があります。 従って、再定義したミッションのもとではラグランジュ点を目指すべき、という結論が得られつつあります。 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

10 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
系統誤差 Instrumental polarization Cross polarization Scan Synchronous signals Thermal stability Others （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） 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 系統誤差についてです。ここに書かれた五種類に大別されますが、特に最大のものの一つとして instrumental polarizationのひとつでdifferential gainによるものが考えられます。 differential gainは偏光の測定のために使用する二つのセンサーの間のゲインのばらつきの不定性を意味します。 これがあると、温度揺らぎに起因するにせのBモードが生まれます。 抑制する方法は、勿論ゲインを出来るだけ精密にしること、もうひとつは変調をかけることにより 抑制することです。 偽のＢモードを重力レンズＢモード以下におさえることを要求することにより、 システム要求としては、変調により１％以下に抑え、ゲインの差の不定性は０．１％以下におさえる、というものを採用します。 システム要求：f<0.01, Dg<0.001 fについては 次頁 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

11 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 fファクターについては、光学系の回転を考えています。二つあります。 一つは才差運動するコマのようなスキャンストラテジーにより、空の各点を 検出器がいろんな角度で観測することにより平均化するということです。 もうひとつは、空と反射望遠鏡の間に連続回転する半波長板を おき、偏光の向きを回転させることです。上記二つをおこなえば、 f<0.01は達成できる見込みですが。真の問いは、HWPなしで達成できるか どうかであり、これに関しては今後検討していきます。 ゲインの不定性については、ＣＭＢダイポールの観測によりどこまで抑えられるかを 検討し、不十分な場合は追加手段を考慮していくこととなります。 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？ 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

12 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 まとめです。 LiteBIRDミッション要求の再定義をおこない、それに従って４つの誤差要因のそれぞれに関するシステム性能要求を再定義しています。 今のところ、系統誤差を除いて、成立する解がありそうな状況です。 今後の課題は、系統誤差に関するシステム要求の完成と、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をおこなっていくことです。以上です。 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

13 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
バックアップ 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

14 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

15 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 ? 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 50GHz – 250GHz C M B LiteBIRDはこの大問題に 真っ向から挑む小型衛星 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

16 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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！ 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

18 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 測定精度の向上 発見から揺らぎの精密測定へ 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」 WMAP, PLANCK : 解像度の向上 　　　　 宇宙年齢、ダークエネルギー 1mK これが最後のスライドです。新しい眼が新しい宇宙像を拓く という言葉で、この講演を終えたいと思います。ご静聴ありがとうございました。 LiteBIRD（日本が主導） 現在、日米共同でこの辺の感度で地上実験準備中 1nK 数nKのでこぼこをとらえる“超伝導ミリ波カメラ” 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

19 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 3シグマ“発見”領域 2013 ~2014 LiteBIRD 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

20 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

21 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
何故、小型でやるか？ 10 1 角度分解能は 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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

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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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

23 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
LiteBIRD焦点面感度要求 測定のノイズレベル2 mK・arcmin以下 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

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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: ) 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) 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

25 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

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高田・都丸・ 松村・満田・ＳＨＩ LiteBIRD熱設計 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。 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

27 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
LiteBIRD DAQ・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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

28 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
LiteBIRD L2軌道・スキャン θBS = 55,θAS = 45 3rpm 90min. 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）

29 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学） 羽澄昌史（ＫＥＫ）
LiteBIRD L2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 2011/9/17 日本物理学会2011年秋季大会（弘前大学）　　　　羽澄昌史（ＫＥＫ）