スペース赤外線天文学の 現状と将来 ~ 波長の壁を越えて ~ 中川貴雄 (ISAS/JAXA)
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- Evan Hopkins
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1 スペース赤外線天文学の 現状と将来 ~ 波長の壁を越えて ~ 中川貴雄 (ISAS/JAXA)
2 日本の スペース赤外線天文学の歩み? IRTS (1995) あかり (2006)
3 Where are we from? Are we alone? Formation & evolution of galaxies Birth & evolution of stars and planetary systems Chemical evolution of universe
4 赤外線で見る世界 可視光線 赤外線
5 Overview of AKARI
6 AKARI Mission (a.k.a. ASTRO-F) The 2nd-Generation Infrared Surveyor All-Sky Survey 4 bands in FIR μm 2 bands in MIR 9, 18μm Pointing Observations Photometric & Spectroscopic Modes
7 Time Line Launched! February 22, 2006 From Uchinoura Space Center M-V-8 launching vehicle Observation Phases Liq. He Phase May 2006 August 2007 Phase 1: Mostly Survey Phase 2: Mostly Pointed Obs. Post He Phase (Phase 3) June 2008 (NIR)
8 AKARI Gallery
9 All Sky Image at 9μ m by AKARI
10 AKARI Point Sources 0.7 million sources
11 Two View s of Orion visible AKARI
12 Complex ISM Cygnus-X Blue : 9um Red: 18um
13 Bow Shock in the Universe
14 Hot & Cold Dust in M101 Suzuki et al. (2007)
15 Now detected up to Z~6 Effective Spectroscopic Survey RXJ (z=4.3) Record of Ha detection at High z Oyabu et al. (2007)
16 ~ 波長を超えて ~ Searching for Molecular Tori
17 Unified Scheme of AGN?
18 Obscuring Torus in Absorption To prove physical characteristics of molecular tori IR observations of absorption in molecular tori
19 Fundamental ro-vibrational transition of CO v=0-1, ΔJ=±1 Many lines with different J Temperature, column density Background Source Very high effective spatial resolution is possible Observations Subaru + IRCS (AO) R= slit at M-band
20 CO Absorption is detected Broad CO Absorption
21 Observation vs Model Observed Model Hot (~ 800K) gas with Large Column Density (N H2 ~ cm -2 )
22 Ground-based Observations Merits High-spectral resolution Resolve each rotational transitions Demerits Precise Estimates of Physical Conditions Complex atmospheric absorption
23 Obscured AGN IRAS CO absorption to very high J (~17) Broad line profile Shiratata, Nakagawa, et al. (2009) ApJ submitted λ
24 How can it be heated? Observations T= K with N H2 ~ 3-10 X cm -2 Av ~ mag? PDR? UV heating Only Av< a few mag for T~1000K XDR! X-ray heating (from the central engine?) Large penetration depth Av > 10 mag Efficient gas heating
25 Summary? Our Observations show Hot molecular gas with large column density Highly clumpy structure and violent velocity field Heated (probably) by the X-ray from the central engine Questions Are they putative tori? (or sphere?) What makes the difference between the galaxies with and without CO absorption? Formation of Tori and accretion onto the central engine
26 Next Step (1) to increase signal
27 Hidden Universe FIR
28 Requirements: Large! Telescope 3m class telescope is required Resolve CIB into individual sources Direct detection of exoplanets
29 Intensity (W m -2 sr -1 ) Requirements: Cool! Telescope K (Herschel) 45K (JWST) 20K K Zodiacal Emission 8K CMB Cirrus 4.5K, Wavelength (micron) Telescope Temperature << 10K required
30 今までの赤外線天文衛星 寒剤の搭載 巨大な冷却容器 小さな望遠鏡 あかり の例 Cryocoolers 観測機器 42 kg 冷却容器全体 460 kg 真空容器外壁 200 kg
31 身軽になろう Cryocoolers
32 Mission Overview Specifications Telescope: 3.5m, 5 K Revolving CIB at its energy peak Direct detection of exoplanets Core wavelength: μm MIR Instrument Including Coronagraph Far-Infrared Instrument (SAFARI) Orbit: Sun-Earth L2 Halo Mission Life 3 years (nominal) 5 years (goal) No expendables Weight: 3.4 t Launch: 2017 (H-IIA)
33 Heritage of Mechanical Cryocoolers AKARI 2-stage Stirling 20 K Long-life test > 5yrs 2006 SMILES JT 30mW@ 4.5 K 2009 SUZAKU ADR, 60mk reached 2005 Cryocooler technology is strategic techniquie for space science in Japan Future Missions: Kaguya, Planet-C, ASTRO-G, ASTRO-H, SPICA
34 Most of the coolers will be flight-proven very soon. Cryocoolers for SPICA Cooler type 20 K class 4 K class 1 K class Primary mirror Far-IR Cooling object Precooling for JT & Optical bench detector Configuration 2-stage Stirling 2ST + 4 He-JT 2ST + 3 He-JT Minimum cooling requirement Demonstrated Cooling Power Driving power 200mW@20K 30mW@4.5K (x 2 sets) 10mW@1.7K 325mW@20K 50mW@4.5K 16mW@1.7K < 90 W < 160 W (x 2 sets) < 180W Service life > 5 years > 5 years > 5 years R&D level AKARI (2006) ASTRO-G (2012) Under improvement ISS/SMILES (2009) Under Improvement ASTRO-H (2013) Under development
35 Huge Gain of Sensitivity! Photometry Spectroscopy Herschel 2.5 orders SPICA 2 orders SPICA/ SAFARI
36 Expected Results (1) How did the Universe originate and what is it made of? Resolving CIB into individual sources Big Bang 1 st generation of stars
37 Expected Results (2) What are the conditions for stellar and planetary formation? Detection and Spectroscopy of Exoplanets
38 Joint System Engineering Team International Collaboration Scheme SPICA Steering Committee Science Advisory Committee JAXA SPICA team: System Integration Telescope FPI : SAFARI FPI:MIRs+SCI FPI:BLISS FPI:FPC JAXA Integration ESA Subsystem Management JAXA Subsystem Integrator NASA Team (TBD) Korean Team (TBD) ESA Manufacturing 80K) SAFARI Consortium System Integration European Teams Japanese Teams Japanese Group NAOJ (TBD) FPI : Focal Plane Instrument SAFARI : SPICA Far-Infrared Instrument MIRs : Mid Infrared Insturuments (MIRACLE,MIRMES,MIRHES) BLISS : Background-Limited Infrared-Submikimeter Spectrograph FPC : Focal Plane finding Camera 38
39 Space Odyssey in 2017
40 Next Step (2) to decrease noise 40
41 Intensity (W m -2 sr -1 ) Beyond Natural Background Limits K (Herschel) Could be removed? 45K (JWST) 20K 10K Zodiacal Emission 8K CMB Cirrus 4.5K, Wavelength (micron)
42
43 Revealing Dark Age NIR
44 赤外線宇宙背景放射 (CIRB: Cosmic InfraRed Background radiation) z>10の紫外放射は近 中赤外域で観測 個々に分解検出できない微弱な天体 広い視野でひとまとめに背景放射として観測 大望遠鏡による観測と相補的 放射強度 宇宙初期天体のスペクトル ( 温度 :1 万度 ) 水素ライマン端 912A 宇宙膨張により赤方偏移したスペクトル 紫外 可視 赤外 波長
45 これまでの観測 (IRTS) 系外銀河では説明できない強度超過 放射スペクトル : 可視 ~ 近赤外 (1μ m 付近 ) の異常 第一世代の星のモデルで説明可能
46 赤外域での空の明るさ 黄道光 ( 太陽系ダスト ) 太陽光散乱 ダスト熱放射近赤外 - 全放射の >70% CIRB の約 10 倍中赤外 - 全放射の >95% CIRB の 100 倍以上 銀河光 系外銀河 高角分解能の観測装置では点源として除去可能 宇宙背景放射の抽出 黄道光の寄与を精度良く推定 モデル依存性の困難
47 黄道面を 越えて 小惑星帯 R ~ 3AU 太陽 探査機 R h 小惑星帯より遠方または黄道面外軌道では黄道光が激減 地球 木星 R ~ 5AU 究極の CIRB 観測 CIRB の直接検出が可能
48 黄道面脱出ミッション EXZIT: EXo-Zodiacal Infrared Telescope 近中赤外帯の粗い分光波長 : 0.8-2μm - 20μm 分解能 : R~20 視野 : ~1 望遠鏡口径 :~5cmΦ 放射冷却近赤外 T<70K 中赤外 T<20K 総重量 ~10kg 断面図 天体からの放射 シャッター 集光レンズ光学系 ~5cmφ 宇宙空間へ ~25cm 放射冷却板 透過型分光素子 (Grism / through) フィルタ (order-sorter / LVF) 検出器モジュール 立体図
49 観測方法 探査機への搭載 スリット分光 : 波長分散方向に望遠鏡スキャンして分光イメージ取得 クルージング期間 ( 2 年 ) 内には広い天域で黄道光の変化が観測できる 小惑星帯以遠において背景放射の直接検出が期待 他ミッション (Solar sail, Jovian mission, solar-c) に相乗り バッフル性能許容角 >30 可動範囲 <60 断熱サポート セイルからの熱放射 散乱光 ジンバル MLI 探査機本体 セイル スピン軸 太陽光
50 未来へ SPICA (2017) EXZIT (201?)
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1 1 1 n (1) (nt p t) (1) (2) (3) τ T τ. (0 t nt p ) (1) (4) (5) S a (2) (3) 0sin. = ωp
) ) 4) ) hayashi@archi.kyoto-u.ac.j Det. of Architecture and Architectural Engrg., Kyoto University, Prof., Dr.Eng. ), r-suzuki@archi.kyoto-u.ac.j Det. of Architecture and Architectural Engrg., Kyoto University,
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