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。