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インフレーション宇宙を検証するCMB偏光観測小型科学衛星
LiteBIRD
宇宙創生とその背後にある根本物理法則を探る
宇宙の始まり
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
宇宙年齢
ビ
ッ
グ
バ
ン
10-38秒?
再
結
合
38万年
ダ
ー
ク
エ
イ
ジ
再
電
離
1億年
銀
河
形
成
137億年
高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）素粒子原子核研究所 羽澄昌史
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
1
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
竹井 洋, 福家 英之, 松原 英雄, 満田 和久, 山崎典子, 吉田 哲也，坂井真一郎，佐藤 洋一，篠崎 慶亮，杉田 寛之，
四元 和彦, 河野 功, 野田 篤司（JAXA）
石野 宏和，樹林 敦子，岐部 佳朗，三澤 尚典，美馬 覚（岡山大）
Adnan Ghribi，William Holzapfel，Bradley Johnson，Adrian Lee，Haruki Nishino，Paul Richards，
Aritoki Suzuki（カリフォルニア大バークレー校）
Julian Borrill（ローレンスバークレー研究所）
大田 泉（近畿大）
吉田 光宏，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，
長谷川 雅也，服部 香里，松村 知岳，森井 秀樹，木村 誠宏，鈴木 敏一，都丸 隆行（ＫＥＫ）
井上優貴，清水景絵，渡辺広記（総研大）
CMB実験（QUIET、POLARBEAR、
BICEP、WMAP、Planck）経験者と
赤外、X、デバイス工学などの
研究者集団（50名超）
小松 英一郎（テキサス大オースティン校）
鵜澤 佳徳，関本 裕太郎，野口 卓（国立天文台）
服部 誠（東北大）
高田 卓（筑波大）
Matt Dobbs（マギル大）
夏目浩太, 村山 慧，高木 雄太，中村 正吾（横国大）
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)
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日本天文学会 2012年春季年会
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宇宙論の５大ミステリー
素粒子物理の視点から
• インフレーション
Cosmic Microwave Background(CMB)
偏光観測の科学目標
• バリオジェネシス
CMB偏光観測が
新しいフロンティア
• ダークマター
• ニュートリノ質量
• ダークエネルギー
CMB温度観測（WMAP, Planck等）
だけでは謎を解決できない
特にインフレーション
素粒子標準理論を越えた新しい物理法則が必須（科学革命が必要）
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ＣＭＢ直線偏光マップ
観測の原理
電波望遠鏡
Ey
スペクトル解析
Ex
偏光度
• Ex2 – Ey2
• ExEy
パワースペクトル
2012/3/21
W. Hu et al. astro-ph/0210096
E-mode
日本天文学会
B-mode
ベストな
発見法
インフレーションによる
2012年春季年会 原始重力波の証拠
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4
干渉計重力波探索との比較
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
重力波観測による宇宙論
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！
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CMB偏光パワースペクトル
衛星観測
Eモード
再電離の山
KEK CMB
グループ
晴れ上がりの山
地上大望遠鏡による
観測。ニュートリノ質量、
ダークエネルギーなど
（現在の上限）
原始重力波による
Bモード（未発見）
r（テンソル・スカラー比）
の決定
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インフレーションエネルギーの決定
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LiteBIRDのミッション
• 代表的インフレーションモデルを完全に検証
• rの誤差（統計⊕系統⊕前景放射⊕重力レンズ）への要求
dr < 0.001 （full success）
 代表的インフレーションモデル（＝Single-Large-Field Slow-roll Model）
の多くはr>0.01を予言
3s発見領域
 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！
（統計誤差のみ）
 代表的インフレーションモデル
ではr>0.002*
~
モデル
予想
 原始重力波が見えない場合、
代表的インフレーションモデル棄却！
 地上で先に兆候があった場合（rが比較的大きい場合）
 スペクトルの測定！（予期せぬ発見の可能性も）
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No lose theorem
of LiteBIRD
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*Lythの関係式
に基づく下限
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LiteBIRD
回転軸
視線
副鏡
(4K)
半波長板
（1/fノイズ低減、変調）
超伝導
焦点面
検出器
(100mK)
主鏡
～60cm
4K)
システム概要
ミリ波（50－250GHz）の
偏光度全天観測
地上観測で
実証した技術を使用
軌道：
SSO 500km程度
(L2オプションも
検討中)
ＴＥＳ又は
ＭＫＩＤ
冷凍機システム
(JT/ST + ADR)
ソーラーパネル
SPICA(予冷)、
X線ミッション（ADR）
と冷凍技術の共有・効率化
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小型衛星
標準バス
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重量目標：450kg
電力目標：500W
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8
何故、小さい衛星か？
10
1
角度分解能は
～0.5度（@150GHz）
で十分
有効直径~60cmの
望遠鏡で究極の観測
ができる
小型なら世界に先駆けて打ち上げるチャンスが増える
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」だけやる。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
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地上実証１：POLARBEAR
チリ・アタカマ標高5200m

史上最大級の
TESアレイ実証
3.5m
（1274素子、150GHz）
系統誤差
 前景放射

2012年1月
First Light！
UC Berkeley, KEK, McGill
UCSD等の国際協力
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地上実証２：POLARBEAR2
lead by KEK group
Optics
2色TES開発
（ＵＣ
バークレー）
 CMB観測史上最大の焦点面
 f380mm : 7588 TES bolometers
 90GHzと150GHzを同時に観測する
二色TESボロメータの導入
ADR開発
 高い信号多重化能力（32MUX）
 ADRによる100mK焦点面
 250mKによる運転（w/o ADR）も可能
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LiteBIRDテクノロジーの高度な地上検証、地上でPlanckをしのぐ感度
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本学会でのLiteBIRD関連発表
• V134b：井上優貴（総研大）
「POLARBEAR-IIにおけるアルミナフィルターの開発」
• V141a：田島治（ＫＥＫ）
「GroundBIRD実験によるCMB偏光の大角度スケール相関
の観測」
– MKID（天文台・理研・KEK・岡山大の共同開発）を用いた焦点面
• U26a：永田竜（ＫＥＫ）
「LiteBIRD計画による原始重力波の探索」
参考）
日本物理学会年会（3月24日－27日）にてLiteBIRDシステム設計に関する講演を予定
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原始重力波以外のサイエンス
•
•
•
•
•
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重力パリティの破れ探索
宇宙再電離の研究
多波長相関
前景放射
You new ideas
宇宙磁場
are welcome !
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推進体制
ＫＥＫ
大学等
システム設計の拠点
地上実証観測の拠点
データ解析の拠点
共同利用
ＪＡＸＡ
システム検証の拠点
衛星打ち上げの拠点
国立天文台・理研
海外機関
センサー開発の拠点
国際協力
地上大望遠鏡との連携
（野辺山観測所
将来計画など）
研究者コミュニティ
波及効果の例：
高感度焦点面
アレイ作成技術が
広く天文学に貢献
支
援
高エネルギー物理学研究者会議
宇宙電波懇談会
宇宙論
宇宙・天文・素粒子の新しく対等な連携で、お互いの発展を目指す
科研費（新学術領域「宇宙創成の物理」）、頭脳循環（実験的宇宙論の国際的リーダー養成）のサポート
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高エネルギー物理学研究者会議将来計画検討小委員会 答申
http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/hecsubc/
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2012年3月5日公開
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まとめ
CMB偏光観測衛星
LiteBIRD
科学的目標：代表的インフレーションモデルを完全に検証
時間
“熱い火の玉宇宙（ビッグバン宇宙）
137億年
以前の宇宙を探る”
期待される成果：
38万年
原始重力波の発見
正しいインフレーションモデルの選別
量子重力理論（超弦理論等）の検証
超高エネルギー物理の開拓
宇宙・天文・高エネルギー物理コミュニ
ティが連携して推進するプロジェクト
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ビッグバン
原始重力波
10-36 秒？
©佐藤勝彦
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イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
期
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LiteBIRD 前景放射除去
N. Katayama and E. Komatsu,
ApJ 737, 78 (2011)
(arXiv:1101.5210)
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)
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LiteBIRD: 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
システム要求：f<0.01, Dg<0.001
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バックアップ
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宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光観測
によるインフレーションの検証
インフレーションの最も重要な予言：原始重力波の生成
原始重力波
CMB
CMB偏光Ｂモード
“渦”パターン
現在の宇宙
前景放射
原始重力波の“刻印”
最初の星
偏光
宇宙の始まり
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
宇宙年齢
10-38秒
ビ
ッ
グ
バ
ン
再
結
合
CMB偏光Bモード検出が
ベストな原始重力波発見法
ダ
ー
ク
エ
イ
ジ
38万年
日本天文学会 2012年春季年会
再
電
離
銀
河
形
成
1億年
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137億年
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Cosmic Microwave Background (CMB)
によるインフレーションの検証

宇宙の平坦性

宇宙構造の起源


宇宙の一様性



1978年ノーベル物理学賞
初期CMB観測
BOOMERanG,
WMAP
COBE, WMAP,
銀河宇宙地図
2006年ノーベル物理学賞
原始重力波
原始重力波は、インフレーションの存在
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を直接証明できる、最も重要な予言
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2
原始重力波発見能力（>3s）とインフレーションの予言
5
4
3
2
1
Single-field slow-roll w/
ns-r relations
Power-law
Chaotic p=8
SSB (Ne = 47-62)
Chaotic p=0.1
String theory examples
1. N-flation, 2. Axion
Monodromy, 3. Monodromy
4. Fiber inflation, 5. Warped
D-brane, Kahler, Racetrack, ..
Pagano-Cooray-MelchiorriKamionkowski 2008
Baumann, arXiv:0907.5424
0.0001
POLARBEAR2
~2016
QUIET2 ~2016?
POLARBEAR
~2014
Bound from
Lyth relation
(0.002)
0.001
Planck
0.01
※ 統計誤差と前景放射を考慮
r
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~2014
0.1
1 国際競争
BICEP2, KECK(南極)
現在の上限（95%C.L.）
多くのインフレーションモデルでr>0.01
 発見への大きな期待
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LiteBIRD ~2020
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EBEX, SPIDER(気球)など
感度、スケジュールともに
POLARBEARと類似
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システム設計の現状
• 光学系：反射型望遠鏡のベースラインデザイン完了
• 焦点面：TESオプションのベースラインデザイン完了
• 熱設計・構造：予備的スタディ（w/ SHI）で成立解あり
• 軌道・姿勢：SSOの成立性を検討中（w/ JAXA-MDSG）
• テレメトリー：要求分析の第１ラウンドをL2/SSOの
それぞれについて完了
• 前景放射：50-250GHzでdr=0.0006（片山・小松2011）
• 系統誤差：半波長板の必要性を中心に評価中
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LiteBIRD光学系
回転半波長板
空からの
入射光
光学系全体を
4Kに冷却する。
半波長板
T. Matsumura,
doctoral thesis
30cm
副鏡
利用可能な焦点面
焦点面
主鏡
30cm
50cm
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設計は完了、現在、
プロトタイプ試験中
GroundBIRD（後述）で使用
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LiteBIRD焦点面
UC Berkeley TES オプション
3色（95/150/240GHz）
Bolometers 100GHz
Sinuous
antenna
150GHz
220GHz
2色（60/95GHz）
Fabricated Triplexer Filter
ＵＣバークレー・マギル大・KEKの共同開発（読み出し回路含む）
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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」）
MKIDの原理
NEP ~ 6x10-18WHz-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）
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
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LiteBIRD熱設計
高田・都丸・
松村・満田・ＳＨＩ
2-stage Stirling Cooler
•
•
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。
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LiteBIRD: スキャン
y
x
Boresight
z
Spin axis
Spin axis
3rpm
Boresight
 = 34 degs
: relative angle betw/n
moon and boresight (60 degs)
Anti-sun
Satellite
6000K
 = 76 degs
175K
Anti-sun
300K
altitude
600 km
150 Mkm
Sun  Earth
スキャンの一様性
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- Spin axis rotation about anti-sun axis
(i.e. satellite period around the earth) fs = 90 min
- Boresight axis rotation about spin axis fb ~ 1 min
0.38 Mkm
Earth  Moon
観測偏光角の一様性
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高いスピンレートの実現には、
開発が必要
半波長板使用を前提に、
spin rateの低いオプションを
検討予定
(JAXA/MDSGとの共同作業)
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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
Katayama-Komatsu 2011
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
2012/3/21
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LiteBIRD DAQ・テレメトリー（SSOの場合）
データレート
機上データ圧縮が必要
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
アンテナゲインに対する条件
低ゲインアンテナ、低電力で要求を満たせる
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地上実証３：GroundBIRD
LiteBIRDプロトタイプ、かつ
地上で大角度相関を見る
ことにより世界一をめざす
ユニークなデザイン
MKID オプション ：
：国立天文台ＡＴＣ＋理研
＋ＫＥＫ＋岡山大（新学術領
域「宇宙創成の物理」）
２０１３年
に国内で試験観測
開始をめざす
ミラーの
ビームマップ
測定セットアップ
2012/3/21
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国内の参加機関を募集中！
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バックアップ2
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宇宙マイクロ波背景放射
Cosmic Microwave Background (CMB)
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33
宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光観測
によるインフレーションの検証
インフレーションの最も重要な予言：原始重力波の生成
原始重力波
CMB偏光Ｂモード
“渦”パターン
現在の宇宙
前景放射
原始重力波の“刻印”
最初の星
CMB
偏光
宇宙の始まり
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
宇宙年齢
2012/3/21
10-38秒
ビ
ッ
グ
バ
ン
再
結
合
38万年
CMB偏光Bモード検出が
ベストな原始重力波発見法
ダ
ー
ク
エ
イ
ジ
日本天文学会 2012年春季年会
再
電
離
1億年
銀
河
形
成
於 龍谷大学（深草キャンパス）
137億年
羽澄昌史（ＫＥＫ）
34
原始重力波なければ、E-mode のみ
COLD
COLD
HOT
HOT
“偏光はホットサンド”
E-mode
2012/3/21
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35
原始重力波があるとB-modeとE-modeどちらも生成
B-modeは原始重力波の証拠！
B-mode
E-mode
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36
観測周波数
QUIET
POLARBEAR
銀河系内
ダスト熱放射
銀河系内
シンクロトロン
放射
CMB偏光
Bモード
LiteBIRD
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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
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（ＫＥＫ）
羽澄昌史
38
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
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？
2012/3/21
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世界の観測プロジェクト
1. 地上
2. 気球
ACTPol
SPIDER
QUIET
POLARBEAR
上記に加えABS, CLAS
Atacama,
Chile
EBEX
PIPER
上記に加えPOLAR
WMAP
(観測終了)
Planck
SPTPol
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3. 衛星
地球－太陽
ラグランジュ点 Ｌ２
South
Pole
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衛星観測：国際情勢
COBE
（１９８９
－１９９３）
WMAP
（２００１－）
温度観測が主目標
Planck
（２００９－）
偏光観測が主目標
LiteBIRD (日本）：小型衛星
（～２０２０－） EPIC、PIXIE（米国）：中・大型衛星
B-Pol、COrE（ヨーロッパ）：小・中型衛星
2012/3/21
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３つのCMB偏光観測プロジェクト
日本グループの活動
• QUIET
– チリ（5080m）、低い周波数をHEMTアレイで観測、D=1.4m
– QUIET (2008-2010), QUIET2 (2014~)
– U Chicago, Caltech, Princeton等との国際協力
• POLARBEAR
– チリ（5190m）、高い周波数をTESボロメータアレイで観測、D=3.5m
– POLARBEAR (2011-2013)、POLARBEAR2 (2014-2016)
– UC Berkeley等との国際協力：POLARBEAR2レシーバーをKEKが主導
• LiteBIRD
– 小型人工衛星、広い周波数を超伝導検出器アレイで観測、D=0.6m
– 2020年頃打ち上げを目指すJAXA小型科学衛星ワーキンググループの一つ
– POLARBEARの技術を導入＋地上実証実験GroundBIRD
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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CMB衛星LiteBIRD
将来の
大目標
CMB偏光
羽澄（ＫＥＫ）
科研費新学術領域（H21-H25）
背景放射で拓く宇宙創成の物理
赤外線
背景放射
松浦（JAXA）
CMB
前景放射
分離
服部（東北）
現在の宇宙
前景放射
最初の星
超伝導
検出器
大谷（理研）
宇宙の始まり
究極理論
小玉（ＫＥＫ）
宇宙年齢
2012/3/2
1
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
10-36秒
ビ
ッ
グ
バ
ン
再
結
合
38万年
ダ
ー
ク
エ
イ
ジ
1億年
再
電
離
日本天文学会 2012年春季年会
銀
河
形
成
137億年
於 龍谷大学（深草キャンパス）
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POLARBEAR1 instruments
Telescope size & type
3.5m (primary) Gregorian Mizuguch-Dragone
Frequency
150
GHz
# of pixels & technology
637
1274 TES (2/pixel)
Angular resolution
4 (FWHM)
arcmin
Scan area (tentative)
4x15x15=900
deg x deg
Location
Atacama, Chile
5190m
r sensitivity
r<0.025
95%C.L.
Observation time range
2011-
完成した
ＴＥＳボロメータアレイ
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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LiteBIRDのミッション
• 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
解説 Lythの関係式
 Large field inflation ↔ r ≳ 0.002
 rの上限(95%C.L.) < 0.002  Large field inflation棄却
 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！
地上で兆候があった場合（rが比較的大きい場合）スペクトルの測定！
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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統計誤差
検出器の感度、個数、観測時間で決まる
（DTexp）2  1/t
コスミックバリアンス
一つの宇宙で各lに
つきモードは(2l+1)個
観測した天空の割合
（小さいとサンプル
バリアンスが大きくなる）
ビームサイズ
• 1/fノイズ対策：変調・復調も重要
アレイ化がカギ：1000素子が現在実現されてきている
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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R&D organization
In-house fabrications and tests at KEK
KEK Detector Technology Project:
Super-Conducting Detector (SCD) Group
(KEK, Okayama, RIKEN, SOKENDAI, Tsukuba)
KEK Cosmic Microwave
Background (CMB) group
Science/TES
Collaboration
MKID/STJ R&D
Collaboration
NAOJ JAXA Tohoku
UC Berkeley, McGill, UCSD, Colorado
2012/3/21
Strategy Tokyo
Review
AIST
Industrial/Medical
applications
Started in 2007, expanding year by year
日本天文学会 2012年春季年会
谷大学（深草キャンパス）
澄昌史（ＫＥＫ）
於 龍
羽
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LiteBIRD L2軌道・スキャン
θBS = 55,θAS = 45
90min.
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日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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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
観測時間
クロスリンク
– L2へ行くこと
– 宇宙線の影響(glitches)
2012/3/21
日本天文学会 2012年春季年会
於 龍谷大学（深草キャンパス）
羽澄昌史（ＫＥＫ）
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