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JASMINE計画について
（近赤外線高精度位置天文観測衛星計画）
ーJapan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration－
郷田直輝（国立天文台）
＋JASMINEチーム
1
§1.JASMINEが狙うサイエンス：銀河系とは何か？
銀河系を知る
力学構造
自己重力多体系
の物理
長距離力系の
統計力学
星形成史
系内構成天体
銀河系形成史
恒星進化、惑星、
変光星、超新星、
連星系、褐色矮星、
暗黒物質
距離指標
宇宙初期での
銀河形成・進化
（近傍宇宙論）
宇宙の
構成天体
2
銀河系の解明のためには、
Photometry（測光）, Spectroscopy（分光）による
明るさ、色、元素量、視線速度の情報に加えて
天体までの距離
速度
年周視差
横断速度
その角速度（固有運動）
高精度なAstrometric eyeが必要
(Astrometry:天球上の星の位置、固有運動、
年周視差）
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★位置天文精度：1ミリ秒角(1mas)
10マイクロ秒角(10μmas)の時代へ（天文学の大革命）
4
§2.JASMINE計画について
(I)概要
★位置天文精度：約10万分の1秒角
天文学の大革命！
（K≦12等級 or z≦15.5等級で達成）
★ターゲット：バルジ、ディスク
銀河形成史の“化石”の宝庫
近赤外線(1μm or 2μm)
可視光より遙かに多くのバルジ、ディスクの星を観測可能
(可視光に比べてダストによる吸収の影響が少ない）
★打ち上げは、約１０年先を目標
★世界で唯一。日本独自の計画。
欧米は可視光の計画： GAIA(ESA), SIM(NASA)
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★他の計画の中での位置づけ
将来の高精度スペースアストロメトリ計画（欧米）とJASMINE
計画
機関
装置 打ち上 星の観測 限界等級
精度
げ予定 数 （個）
Hipparcos
ESA
望遠鏡
DIVA
Germany
望遠鏡
望遠鏡
FAME
USNO&
1989
120000
12
1mas@V=10
中止
3500 万
15
250 μas ＠V=10
中止
4000 万
15
50 μas@V=9
NASA
SIM
GAIA
JASMINE
NASA
干渉計 ～2009
１万
20
4 μas@V=20
ESA
望遠鏡 ～2012
10 億
20
10 μas@V=15
日本
望遠鏡 ～2013 3 億(≦16)
2億
K=17
10 μas@K=12
z=18
10 μas@z=15.5
Remark: 欧米のスペース計画はすべて可視光での観測
6
近赤外線で測定する意義
○10万分の1秒以上の精度で測定される星の総個数
ｌ＝０°　ｂ＝１°
V<15
K<12
Z<15.5
100000
10000
N
８～９
６～７
４～５
２～３
０～１
V<15
K<12
band
Z<15.5
1000
100
Ｋｐｃ
7
2002
2004
2006
2015
GAIA
サーベイ：
FAME
SIM
特定天体：
赤外線スペース：
2012
DIVA
可視光スペース
地上電波：
2009
VERA
?
JASMINE
8
（ＩＩ） JASMINEで拓けるサイエンス
○銀河系の力学構造
・Galactic bulge: morphology, kinematics,…
・Galactic disk: dynamics of spiral arms,
nature of stellar warp, …
大規模な自己重力多体系の物理法則の解明
○銀河系の形成・進化の“化石”を探る
・バルジ、ディスク
・星形成史
銀河の形態
DLAとも関連
○距離指標
○ディスク星等によるマイクロレンズ効果
○恒星物理、変光星、超新星、連星
○ 系外惑星 ○ 基礎物理 ○Local group of galaxies
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（III)JASMINE での観測方法と仕様概要
位置天文観測の精度
N:星の光子数
 ~/D N
大きな Nが必要
大きな視野
大口径の鏡
多くの検出器を並べる
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（IＶ）望遠境の仕様（K-bandとz-bandの両方を平行して検討）
○ 光学系：Korsh系が有力候補
○主鏡のサイズ：D=2mの円形（中心に直径0.7mの穴)
○焦点距離：65.4m(K-band) or 130m(z-band)
○Astrometry用の有効な視野面積
(k-band)、   1.7 101 (z-band)
  1.2 101
○検出器：25個(k-band)、450個(z-band)
TDIモードを稼働
○ビーム混合鏡の設置:
同時に大角度（約９０度）離れた領域の星を測定
○絶対的な年周視差を得るため
○衛星回転則のずれを観測データを用いて自己完結
的に測定可能
＊２枚の鏡に対して、焦点面は共有する
11
12
13
（ＶＩＩ）軌道とサーベイ方法
○軌道：Sun-EarthのL2poinｔ
○連続的にスキャン
*衛星のスピン回転の周期：
約15時間
*歳差運動の周期：
約47日
○銀河面付近を主に観測
サーベイ面積： 360  7
*太陽方向を見ないようにする
（春と秋は、銀河面方向。
夏と冬は、銀河面にほぼ
直交す る面方向を観測）
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開発状況と今後の検討
◎2003年6月頃にJASMINEに関する詳細なレポート
（first proposal)を提出予定
○衛星の仕様・精度評価、データ解析法
数値シミュレーター(UML、オブジェクト指向言語）
（山田et al.ポスター発表参照）
○検出器の開発
(i)ＴＤＩモード可能な新しいK-band用アレイ検出器
(ii)1μm付近に感度のピークをもつ高感度
完全空乏型CCD (Hyper Suprime-Camと協力）
○大型超軽量鏡の開発：SPICA、JTPF計画等とも協力
○星像中心決定のアルゴリズム開発と地上実験
（月面天測望遠鏡計画チームと共同）
現在、1画素の1/300の精度達成 （矢野et al.ポスター発表参照）
○衛星システム（バス部）の設計：ISAS、NASDAの方と
検討を開始
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★サイエンスの検討
JASMINEデータを用いて切り拓くサイエンス：
アイデア、準備・・・・
cf:欧米では、GAIA、SIMを睨んでサイエンスを展開中
日本も必要！：
力学構造と星形成史を同時に構築する
Torus Construction法の検討チーム
その他：星形成領域、位置天文的マイクロレンズ効果、・・・・・・
★アストロメトリ観測の工夫とデータ解析法の開発
シミュレーターの構築、データベース・・・
★技術開発
検出器、超軽量鏡、衛星システム、地上での実験・検証
超小型衛星(Pico-satellite)での実証
（Mini-JASMINE計画）
ご支援、ご協力をよろしくお願いします。
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★国立天文台で発足しているアストロメトリ衛星WGメンバー
(2003 年3 月7 日現在） 55 名
メンバー参加を歓迎します！
国立天文台：
○位置天文・天体力学研究系：
郷田直輝、辻本拓司、千葉柾司、榎 基宏、上田誠治
○光学赤外線天文学観測システム研究系：
中島 紀、高遠徳尚、家 正則、安藤裕康、田村元秀、山田 亨
○天文機器開発実験センター： 小林行泰、越田進太郎
○ハワイ観測所：宮崎 聡、小林尚人、唐牛 宏
○天文学データ解析計算センター：
安田直樹
○電波天文学研究系： 井上 允
○地球回転研究系(RISE)： 河野宣之、日置幸介、花田英夫
○地球回転研究系(VERA): 笹尾哲夫、真鍋盛二、本間希樹、官谷幸利
○理論天文学研究系：児玉忠恭
宇宙科学研究所： 松原英雄、澤井秀次郎、井上 一、満田和久、平林 久
NASDA： 岩田隆浩、弘前大： 浅田秀樹、東北大： 土佐 誠
ぐんま天文台： 奥田治之
東大： 上野宗孝、岡村正矩、吉井 譲、中田好一、尾中 敬、牧野淳一郎、大越克也
理研： 戎崎俊一、矢野太平、新潟大： 宮本昌典、西 亮一
名大： 芝井 広、長田哲也、 長野工専：大西浩次
京大： 山田良透、舞原俊憲、稲垣省五、釜谷秀幸、高橋労太、鹿児島大： 面高敏宏
＊年に１，２回、会合を開き、JASMINE に関する検討、意見交換を行う。
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Jasmine
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JASMINE計画の要旨
手段：近赤外線（1μmか2μm付近)によるアストロメトリ
（位置天文）観測を衛星を用いて行う。
観測対象：銀河系内、特に銀河面、バルジなどの天体を
サーベイ（ハロー方向も部分的に行う）
精度：星の位置、年周視差、1年当たりの固有運動を
数億個の星に対し、約10万分の１秒角以上の高精度
で測定
サイエンス：可視光だけでは伺い知れない銀河系構造
（特に、バルジ、遠くの銀河面）、
恒星物理、星の形成と進化、距離指標など
系外銀河観測による宇宙論への直接的リンク
惑星系探査などのサイエンス
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§1.銀河系を知ることが何故重要なのか？
I.銀河系形成史の解明（近傍宇宙論）
銀河全般の形成・進化の解明
＊遠方銀河の直接的観測(遠方宇宙論）との
両輪
II.自己重力多体系の力学構造
＊太陽系をはるかに超えるサイズの自己重力多体
系の力学構造がはじめて明らかになる
長距離力系での新しい統計力学の確立
III.銀河系内の構成天体の解明
恒星進化、星形成、連星、超新星、太陽系外惑星、
変光星、ダークマター・・・・・・
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アストロメトリ（位置天文）とは
星の（天球上の２次元的）位置
距離
年周視差
固有運動（天球上の横断角速度）
（＋視線速度）
星の６次元位相空間の情報
天文学の基本情報
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§２．観測の現状
今までどの程度まで分かっているか？
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★今後の高精度アストロメトリ観測計画の必要性
ヒッパルコス
1000分の1秒角(1mas)
“小さな革命”
大革命が必要
~10万分の１秒角（10μas）の精度
10% distance error at 10kpc!!
velocity error at 20kpc ~1km/s !!
Breakthrough in many fields of astronomy23
（ＩＩＩ）達成精度とサーベイ面積
サーベイ面積： 360  7
年周視差の精度
K=10mag以下
K=12mag
K=13mag
K=14mag
z=14mag
z=15.5mag
z=16mag
z=17mag
σ＝4μas（理想）
σ＝10μas
σ＝16μas(銀河中心の星の距離精度が、13%)
σ＝26μas (銀河中心の星の距離精度が、20%)
σ＝5.4μas(理想）
σ＝10μas
σ＝13μas (銀河中心の星の距離精度が、10.5%)
σ＝22μas
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（ＶI）検出器
K-band(2.2μm)とz-band（～0.9μm)の両方を
平行して検討中
★検出器の開発（小林氏の講演を参照）
(I)K-bandで感度がよく、CCD機能を備えて、TDI
モードが可能な検出器の開発が必要
裏面照射型薄化CCD＋HgCdTe
インジウムバンプ
＊科研費基盤研究A(2)（小林行泰代表）で開発中
(II)z-band(0.9μm)で感度のピークがあるCCDも検出器の候
補として、平行して検討中（宮崎氏による開発）。
○TDIの問題、経費の問題は少ない
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Cf. TDI mode (drift scan mode)が重要
＊検出器上での電子移動レートを衛星の
スキャンレートと同期化させるモード
○星像を歪めずに光子数を蓄える。
読み出しノイズの影響が小さくなる
○画素ごとの感度むらが平均化される
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Cf: z－band用検出器の開発
★z-band(0.9μm)で感度のピークがある新しいタイプ
のCCD検出器：300μmの厚さの完全空乏型
○TDIの問題、
経費の問題は少ない
27
28
★衛星の運動
例：K-bandの場合
○1つのtargetに対する1つの検出器の積分時間：約9.5秒
衛星のスピンレート：24.4秒角/秒
衛星のスピン回転の周期：約15時間
参考：
検出器１画素のangular size: 57.3ミリ秒角(mas)
検出器のangular size: 235秒角
○歳差運動の周期：約47日
（矢野氏作図）
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★大角度離れたfieldの同時測定（矢野氏の講演参照）
○絶対的な年周視差を得るため
○衛星回転則のずれを観測データを用いて自己完結的に測定
大角度離れたfiledを同時に観測する方法が得策
JASMINEも同じ鏡を２枚用いて、同時に大角度（約９０度）離れた領域
の星を測定する。
＊２枚の鏡に対して、
焦点面は共有する
解析により、どちらの
鏡から来たか分離可能
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(VIII)衛星の軌道
Sun-EarthのL2-pointに投入予定
理由：
(i)太陽、地球がほぼ同じ方向にあり、観測できる領域を
拡げられること。
(ii)熱的環境の変化が安定していること
(iii)衛星の軌道制御が比較的容易であること
(iv)放射冷却により冷却できる
○実質の観測年数： Tmis  5 yr
○1つのtargetを1年当たりにサーベイする回数： 約21回
（連続する3回は、短時間以内）
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§７ 精度の評価方法
○衛星システム全体（観測装置、軌道、姿勢制御、
サーベイ方法など）を仮定
どれぐらいの精度が出るものなのか、
どのようなサイエンスの展開が可能か
○必要な精度を達成
衛星のデザインにどのようなことが要求されるのか
32
精度の評価方法
JA
33
★CCDを用いた星像中心決定の実験開始(矢野氏の講演参照）
（ILOM（月面天測望遠鏡）チームと共同）
★１回の検出当たりで必要な精度：
1pixelの数百分の１で星像中心を求める必要がある。
（K-bandの場合：10μas
1/250, 4μas
1/600 )
＊実験装置の概要
白 色 光
CCDカメラ
レンズ
光フ ァ イ バ
光学ベンチ（ Σ-01-(2)）
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＊星像中心を求める解析方法（重心方法を独自に改良したもの）は、
矢野氏によって開発済み
1pixelの1/250～1/300まで達成！
（実験では理想的には1/300～1/350）
より現実的仕様での実験かつ精度アップを目指している。
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Remarks: 精度に関して
○年周視差：σ＝10μas＠K=12mag どの方向でも
○銀経方向の位置、１年あたりの固有運動
σ＝10μas＠K=12mag
○銀緯方向の位置、１年あたりの固有運動
σ＝～100μas＠K=12mag
（サーベイ領域の銀緯方向の幅が約10度程度の場合）
明るい基準星の2次元データを用いることにより、 銀緯方向でも
σ～20μasが可能
VERA, GAIAなどの結果とマッチングすることにより、銀緯方向でも
σ＝10μasが可能。
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★§8.データ解析方法
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★JASMINE Simulatorの開発を開始（山田氏の講演参照）
JASMINE計画：
○従来の位置天文観測より高精度であり、高度な技術と精
密なシステム設計が要求される。
○観測する星の数もけた違いに大きく、データ解析方法の
工夫も必要である。
○システム全体の検討には様々な部分の仕様設計が複雑
に絡んでいる。
システムの全体設計やデータの誤差評価等のために、衛
星仕様、光学系仕様、検出器仕様、データ伝送仕様、
データ解析手法仕様、銀河系の模擬カタログ等を統合し
たシミュレーターの開発が必要である
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＊オブジェクト指向技術、UML(Unified Modeling Language)
によるプログラムデザインを計画
○オブジェクト指向技術やUMLといったソフトウエア工学
の技術を取り入れて、効率良く、かつ再利用性や拡張性
に優れたシミュレーターを開発する。
○先ずはプレリミナリーだが、JASMINEの全体的なシステ
ムを構築していく。
○さらに、今後衛星計画を考えている全てのプロジェクトで、
システム開発の共通的な要素に関しては、必要最小限の
修正だけで利用可能な、シミュレーションソフトウエアが構
築できることも期待される。
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模
擬
（ Virt u al
天
宇
宙
G al a x y ＋
α
）
体
Ba c k gr o u n d
S n a p - S h ot
ス
衛
星 と
の モ
デ
観
キ
観
測
装
ン
方
法
、
衛
星
置
の
姿
勢
A p p ar a nt
Sk y
ル
測
装
衛
星 、
装
管
理
ー タ
デ
ー タ
デ
ャ
処
置
置
の
ノ
イ
ズ
な
ど
Ra w
Dat a
通
デ
の
信
ー タ
理
R e d u c ti o n &
c al i b r a t i o n ,
S ci e n t i f i c
e x pl oi t a t i o n
デ
ー タ
ベ
ー
ス
40
ユースケース図の例
41
§9. その他の検討課題
（１）衛星のシステム設計（松原氏の講演参照）
(i)機器の設計、材質の検討
(ii)光学系、機器の熱構造解析
安定性が重要！
（例）望遠鏡部の安定性要求精度（K-bandの場合）
ずれ
回転変動
Compaund Mirror
自由
30mas
主鏡
基準
30mas
副鏡
0.7μm
150mas
20μm
自由
凹レンズ
平面鏡
0.3mm
150mas
Compaund Mirrorの相対角の変化 ～10μas
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（１）衛星のシステム設計つづき
(iii)衛星の姿勢制御系の検討
(iv)太陽電池、電力系
ISAS, NASDA との
(v)通信レートの評価と通信方法
検討
(vi)重量評価と軽量化の検討
（大口径の超軽量鏡の開発が重要）
（２）予備段階としてのいくつかの地上実験
and/or 小型衛星計画!?
（3）星の視線速度サーベイ
○3次元の速度ベクトルを得るためには、近赤外線による
地上観測によるフォローアップが是非必要
○数km/sの精度でできるだけ多数の星を観測
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◎2003年6月頃にJASMINEに関する詳細なレポート
（first proposal)を提出予定
本日配布した資料は、その中間報告
（６月までに改訂していく）
今後ともご協力をよろしくお願いします。
★JASMINEのホームページアドレス
http://www.jasmine-galaxy.org/index-j.html/
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★推進母体
◎勉強会
１．JASMINE勉強会
郷田直輝・小林行泰・辻本拓司・中島 紀・松原英雄（宇宙研）・矢
野太平（理研）・官谷幸利・ 越田進太郎（東大）・安田直樹・上野宗
孝（東大）
2.アストロメトリ勉強会
郷田直輝、矢野太平、安田直樹、辻本拓司、官谷幸利、大越克也、
上田誠治、山田良透（京大）
（オブザーバー：笹尾哲夫、真鍋盛二）
3.銀河系力学モデル勉強会
郷田直輝、矢野太平、官谷幸利、小山博子（国立天文台）、上田
誠治（総研大）、松林達史（東工大）
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§10.JASMINE計画の経緯と現体制
★経緯
平成9年：
国立天文台第三者評価委員会による検討推進勧告。ヒッパルコスの成果を踏まえて位置天文学の将来
を見据えたとき、遠方のクェーサーに準拠した銀河スケールでの位置天文を進めるのが肝要だと考えられ
る。それには、スペースアストロメトリー計画が最も近道であり実現性も高いと考えられるので、その実現
可能性を真剣に検討すべきであろう。
平成11年度から：
スペースアストロメトリ計画の検討を開始。JASMINE勉強会などへ発展していく。
平成13,14年度：
国立天文台将来計画委員会のもとに設置された台内外の研究者50名をメンバーとする、位置天文観
測衛星ワーキンググループの会合を定期的に行い、検討方針などの意見をもらっている。
平成13年度：
国立天文台光赤外線天文学専門委員会で、JASMINE計画のレビューを行い、検討を推進することに対
して奨励された。
平成12,13,14年度：
宇宙科学研究所における宇宙科学シンポジウムにおいて、将来計画としてJASMINE計画の紹介を行っ
てきた。
平成１3,14年度：
国立天文台将来計画委員会主催の将来計画シンポジウムにて、JASMINEの検討状況を報告し、検討
課題などの意見をもらっている。
平成14年度：
国内における光赤外線天文学研究者のコミュニティ組織である光天連主催のシンポジウムにて、
JASMINE計画の紹介を行い、意義を認識してきてもらっている。
2003年天文学会春季年会における光天連主催の企画セッション「光赤外の将来計画」にて
JASMINE計画の紹介予定。
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◎ワーキンググループ
I．JASMINE Simulator WG
(i)星像のCentroid 決定シミュレーションSub-WG：
矢野太平、安田直樹、辻本拓司、郷田直輝、山田良透（京大）
(ii)Virtual Galaxy Sub-WG：
矢野太平、山田良透（京大）
、官谷幸利、上田誠治、辻本拓司、郷田直輝
II．光学系＆検出器開発WG
小林行泰、宮崎 聡、矢野太平、高遠徳尚、松原英雄、中島 紀、郷田直輝
III．CCDを用いた星像中心決定実験WG
矢野太平、小林行泰、山田良透（京大）
、郷田直輝、辻本拓司、官谷幸利
＋ILOMチーム（国立天文台）
IV．システム検討WG
郷田直輝、小林行泰、矢野太平、中島 紀、辻本拓司（国立天文台）
、松原英雄、澤井
秀次郎（宇宙研）
（オブザーバー：山川 宏、橋本樹明、峯杉賢治、小川博之）
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