Transcript あかり・CIBERによる宇宙赤外線背景放射観測の最新の成果

あかり・CIBERによる宇宙赤外線背景
放射観測の最新の成果
津村耕司
宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
赤外・サブミリ波天文学研究系
For CIBER collaboration
目次

１．イントロ
• 近赤外線背景放射(CIB)と第一世代星との関連
• 過去のCIB観測のレビュー

２．CIBER/LRSによるスペクトル観測
• 装置の概要説明
• 第1回の打ち上げ観測成果 → 黄道光の連続スペクトル
• 第２回の打ち上げ観測成果 → CIBスペクトルへの制限

３．「あかり」によるCIBゆらぎ観測
• 黄道光では説明できないゆらぎの検出

4．将来のCIB観測計画
•
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•
Matsumoto et al.(2011) ApJ accepted
arXiv:1010.0491v2
CIBERの第3・４回の打ち上げ → 偏光分光観測？
CIBER-2 → CIBの空間的ゆらぎ観測に特化
SPiCA → 近・中間赤外でのCIB観測、Hα探査
EXZIT → 木星軌道(黄道光ダスト外)からのCIB直接観測
1．Introduction
宇宙の進化
最遠天体（ｚ～10）
CMB（ｚ～1000）
Bouwens et al.(2011)
既に宇宙は電離されている
宇宙の中性化
水素とヘリウムのみ
既に豊富な金属を含む
暗黒時代（Dark Age）
第一世代天体の形成
宇宙の再電離・金属汚染
遠方宇宙を探る2つのアプローチ

暗い点源を大望遠鏡で点源検出
• ｚ～10の銀河をHSTで観測!? Bouwens et al. (2011)
• きわめて明るい特異な天体に限られる
• 初代天体（Papulation III at z>10）の点源検出
はSPICAやTMTをもってしても困難
AB等級で34等 ＠Kバンド, 300Msolar

背景放射として観測！
• 点源として分解されない天体からの光を含むはず
• 様々な光の放射･吸収の全ての歴史を反映
空の明るさの各成分
強力な前景光
ダストからの熱放射
星からの放射
Leinert et al. (1998)
宇宙赤外線背景放射(CIB)


Cosmic Infrared Background (CIB)
CIB ＝ 空の明るさ – 前景光
• 前景光：黄道光、星、銀河系内ダスト etc
• 様々な光の放射･吸収の全ての歴史を反映


大気による吸収やOH輝線などのため、地上から
の観測は非常に難しい
→ スペースからの観測が必要
黄道光の差し引きが困難
CIB観測のキーワード

CIBの絶対スペクトル
• CIBの強度は銀河の足し合わせで説明可能か？
• 初代天体からの光を含むのか？
• いかに前景光(主に黄道光)を差し引くか？

CIBの空間的ゆらぎ
• ゆらぎ観測では最大の前景光である黄道光の影響を受け
にくい
• 大規模構造形成のタネ？
• CMBゆらぎと大規模構造の間をつなぐ観測
今までのCIB観測

COBE/DIRBE、IRTSな
どによるCIB観測
• 互いにコンシステントな観
測結果
• １.5μｍ付近にピーク？



銀河の積算では説明でき
ない強度
ｚ~10に大規模なPopIII
の星形成？
最大の敵は黄道光
空の明るさの8－9割＠NEP
黄道光観測の精度がカギ
CIBと初代天体の関連

銀河の背景放射に対する
寄与はAB等級23等辺り
で飽和
• これ以上深く観測しても銀
河ではCIBを説明不可
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

初代天体は大質量
Keenan et al. (2010)
強力な紫外線が周りの中性水
素に吸収され、Lyαとして再放
射
CIBの1.5umピークはz~12に
対応
• CMBによる再電離期の結果とよく
一致（ｚ：20～6）
Dwek et al. (2005)
CIBのゆらぎ観測

CIBの空間的ゆらぎの観測
• Spitzer: Kashlinsky et al. (2005)
• あかり： Matsumoto et al. (2011)


ゆらぎのスケールは～15分角
黄道光はの空間的ゆらぎは（<1%）
• 黄道光では観測されたゆらぎを説明でき
ない （Pyo et al. in prep.）
15分角というスケール
～５Mpc ＠ z~12
銀河団のスケール
Matsumoto et al. (2011)
Kashlinsky et al. (2005)
TeVγ線blazer観測からの制限


CIBが銀河系外起源なら、TeVγ線とCIBが反応し、 TeVγ
線はCIBによって銀河間吸収を受ける
‐
γ(NIR) ＋ γ(TeV) → e ＋
e +
２
E(NIR) + E(TeV) > 2mec
吸収前のスペクトルをべき乗と仮定し、
Γが観測や理論と一致するか(Γ＞1.5)を調べる
→ CIB直接観測と矛盾 Aharonian et al.(2006)
など
CIBの起源は?
Lyα from z＞10?



DIRBE、IRTS、CIBERでコン
システントな観測結果
スペクトルピークは黄道光では
説明不可能
観測されているCIBゆらぎを黄
道光で説明するのは不可能
前景光の引き残り?
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

観測された空の明るさの80%
が黄道光で、モデルを用いて
差し引き
TeVγ線の観測は、低いレベル
のCIBを示唆
CIBの明るさを説明するには
バリオンの2-4%が初代天体
として燃える必要あり？
CIB直接観測の立場からは、前景光差し引き起
因のエラーの取り扱いが課題
２．CIBER/LRSによるCIBスペクトル観測
CIBERロケット実験
日米韓共同研究チーム（約10名）
NASAのロケットプログラム
２度の打上げ・観測に成功！
第１回実験 2009年2月
第２回実験 2010年7月
We Are Rocket boys !
CIBERの概要
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宇宙赤外線背景放射(CIB)の
観測を目的としたロケット観測
実験プロジェクト
Caltech(米)、JPL(米)、
KASI(韓)等との国際協力
3種類のCIB観測専用冷却望
遠鏡を独自に開発し搭載
Terrier-Black Brant ロケット
（2段式固体ロケット)
射場：ホワイトサンズ基地
(ニューメキシコ州、アメリカ)
打ち上げ観測後、パラシュート
で落下し回収、再利用
既に2回の打ち上げ観測に成功
あと2回の打ち上げ観測予定
CIBERの光学装置
Low Resolution Spectrometer (LRS)
0.7μm～2.1μmでのCIB分光観測
口径5cmの屈折望遠鏡
プリズム分光(λ/Δλ～20)
Two-Color Wide-Field Imagers
7秒角~2度スケールのCIBゆらぎ観測
H-band/I-bandの2台での2色撮像
口径11cmの屈折望遠鏡
Narrow Band Spectrometer (NBS)
フラウンホーファー線(854.2nm CaII)
のライン観測による黄道光の絶対値観測
口径7.5cmの屈折望遠鏡
ファブリペロー分光(λ/Δλ～1000)
LRS装置概要
LRSの特徴

面光源分光に特化した光学系
• マルチスリット
• 広視野 （５．５deg）
• 大ピクセルサイズ（40μm）のアレイ検出器
etc
広波長域（0.7-2.1um）、広視野の観測が可能となる光
学設計
 低温（<100K）で最適となる光学設計/構造設計
（光学ガラス材の低温屈折率測定）
 点源の影響を小さくするため、検出器全面にわたって
PSFサイズ～1ピクセルを達成
 打ち上げ時の振動や真空環境に耐えられる構造

ロケット実験の概要
0.45m
最高高度: 330km
ペイロード
1.2m
CIBER
高度200km以上で観測
観測時間: 400sec
15m
Black Brant VC MK1
データ送信速度:30Mbps
指向安定性:＜２arcsec
回収
Terrier MK70
打上場: White Sands Missile Range
The X day
第１回打ち上げ観測
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2009年2月25日午前3時45分
(アメリカ山岳部標準時[UTC-8])
最高高度 330km
観測時間 425秒間
観測、回収ともに成功！
第1回観測の結果


Tsumura et al. (2010)
打ち上げ～データ取得～回収
に成功
異なる黄緯の空のスペクトルか
ら、黄道光スペクトルを抽出
• この波長域での黄道光スペクトル
の導出は世界初

惑星間塵とS型小惑星を結ぶ観
測結果
• 惑星間塵の起源に迫る成果

熱放射迷光のため、CIB検出に
はいたらず
Tsumura et al. (2010)
第２回打ち上げ観測
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
熱放射対策改造を1年かけて実施
2010年７月１０日午後１０時50分
(アメリカ山岳部夏時間[UTC-7])
最高高度 330km
観測時間 425秒間
観測、回収ともに成功！
第2回観測の成果


黄道光のスペクトルは1回目の結
果とよく一致
前景光の差し引き (Kim 2010 修論)
• CIB ＝ SKY – ZL – ISL - DGL
• 明るい星：13等までは点源検出でマ
スク
• 暗い星(ISL)：2MASSで差し引き
• 銀河系拡散光(DGL)：100umを用
いて推定 (Mattila et al. 2005)
• 黄道光(ZL)：モデルの黄緯変化と比
較して差し引き(右図)


黄道光スペクトルはモデルによらず観測
から抽出
モデルとは5%以内でよく一致
CIBスペクトル


Preliminary！！
現在、キャリブレーショ
ンを最終チェック中
（新井 2010 修論）


1.5μmでIRTSとよく
一致
1.5μmをピークに短
波長で落ちるスペクト
ル形状
• 黄道光では説明不可
３．あかりによるCIBゆらぎ観測
赤外線天文衛星「あかり」(ASTRO-F)

日本初の赤外線天文衛星
• 2006年2月22日打上げ
• M-V-8号機＠内之浦

有効径68.5cmの冷却望遠鏡
• 液体ヘリウム ＋ 冷凍機 (Phase-1,2)
• 液体ヘリウム枯渇後(2007年8月)は冷凍機
のみ (Phase-3)

メインミッション：全天サーベイ
• ポインティング観測も可能

2種類の観測装置
• Far-Infrared Spectrometer (FIS)
• InfraRed Camera (IRC)

太陽同期極軌道
• 太陽・地球からの熱入力を最小化
• North Ecliptic Pole (NEP)を定期的に観測
観測領域：NEPモニターフィールド
IRC/AKARI observed
NEP monitor field:
~2 times in a month with all filters
10 arcmin x 10 arcmin FOV
1.5 arcsec/pixel
「あかり」CIBゆらぎの結果
Matsumoto et al.(2011) ApJ accepted
arXiv:1010.0491v2
2.4μm
3.2μm
4.1μm
Large scale structure is clearly seen!
10 arcmin correspond 30 Mpc at z~10,
Fluctuation observed with AKARI
could be explained within this
theoretical framework, and provides
some restrictions for the star
formation parameters.
４．将来のCIB観測
(黄道光モデルによらない観測に向けて)
偏光観測による黄道光の分離
大前提
黄道光：偏光している
CIB：偏光していない


黄道光(＜3um)は惑星
間塵による太陽光の散乱
のため、偏光している
偏光度 P=10-20％
偏光観測によってCIBを
黄道光から分離
Leinert et al. (1998)
Berriman et al. (1994)
CIBER/LRSへの偏光観測機能の付与

CIBERの第3回観測で偏光分光観測を計画中
(2012年2月打ち上げ観測の予定)

既存の装置に偏光フィルムを付加することで簡単
に偏光分光観測を実現させるアイディア
• 旭化成イーマテリアルズ社製 ワイヤグリッド偏光フィルム WFG
黄道光偏光分光観測により期待される成果

黄道光モデルによらないCIBス
ペクトルの検出
• 地球近傍における黄道光の等方成
分の判別
• 従来の黄道光モデルでは等方成分
は黄道光として分離されない

惑星間塵に関する新しい観測的
研究手法
• 1um付近の黄道光の偏光分光観
測自体が世界初
• 惑星間塵の組成・大きさ・形状に関
する観測的制限
CIBが1.2um付近に
ピーク構造を持つと、偏
光スペクトル中にギャッ
プが観測されるはず
CIBER-2

広視野ゆらぎ観測に
特化
• 口径：11cm → 30cm
• 検出器：HAWAII-2
（2K×2Kアレイ）
• 可視-近赤外３バンド



0.５-0.7um
1.0-1.6um
1.7-2.0um
• 同型のロケットを使用
• 2014年の打上げ目標
次期赤外線
天文衛星




3m級の冷却（６K）望遠鏡
日本主導で、欧州・韓国などと
国際協力
太陽-地球系のL2点
2018年以降の打ち上げ
CIB spectrum in NIR and MIR
COBE
IRTS
Spitzer
AKARI
CIBER
MIRIS
SPiCA/FPC-S
EXZIT
SPiCA/MCS
EXZIT
Dwek+(2005)
より良い環境をもとめて


太陽系内のチリが観測の邪魔をしている
惑星探査機を用いてチリのない深宇宙から観測
Spacecraft
Earth
1AU
Sun
Main asteroid belt ~ 3AU
EXZIT: EXo-Zodiacal Infrared Telescope
Jupiter ~ 5AU
38
CIB観測最大の敵 黄道光

1um付近でCIBより数
倍明るい黄道光の差し
引きが最大の障壁
黄道光ダスト外からの観測


黄道光フリーな究極の
のCIB観測
宇宙中間赤外線背景放
射観測も実現可能
ソーラー電力セイル探査機による実現

JAXAが開発中の次世代惑星探査機



太陽光圧＋イオンエンジンハイブリッド推進
IKAROS（10m級セイル）による実証成功
EXZITほか科学機器を搭載した50m級セイル
木星探査とクルージング期の観測
2020年ごろの打上げを目指し開発
50m
探査機本体
Spacecraft Hub
Jupiter Entry
Probe (option)
Photometer
Rotating drum
HGA
Jovian
Orbiter
Buck-up solar cell
Petal supporting rod
Ion engine x2
Damper
40
まとめ

赤外線背景放射(CIB)には、初代天体からの光が含まれている
可能性
• 1um付近の分光観測がカギ
• 強力な前景光(特に黄道光)の差引き不定性が大きい

TeV γ線blazerによるCIBへの制限と矛盾
• 両者の更なる高精度観測がまずは重要、CTAに期待
• その上でもし両者に矛盾が生じるのなら、、、




Γ＞1.5の仮定はどれほど正しいのか？ トランジェントな現象？
星間空間でのガンマ線吸収を回避するメカニズムは？
初代天体以外にCIBを説明する候補は？
既存/将来のCIB観測により、黄道光モデルに依存しないCIB検
出を目指す
•
•
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•
•
CIBのゆらぎ観測 (CIBER、CIBER-2、あかり、SPICA)
CIBER/NBSによる黄道光の絶対値の同時観測 (現在解析中)
偏光観測による黄道光の分離 (CIBER 3rdフライト)
Hα検出の試み (SPICA・ EXZIT)
黄道光ダストの外からの究極のCIB観測 (EXZIT)