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第１回 スペースからの 赤外線天文学の歴史 （兼　自己紹介）

第１回 スペースからの 赤外線天文学の歴史 （兼　自己紹介）. 平成 24 年度 新潟大学理学部物理学科　 集中講義 松原英雄（ＪＡＸＡ宇宙研）. 私は、宇宙の色々な天体を観測をする人工衛星（天文衛星といいます）で使って、宇宙の様々なことを調べています。 主に、可視光・赤外線・サブミリ波です（が、Ｘ線も電波にも手を染めています）。 博士論文は（昔だったので）気球搭載の赤外線望遠鏡で重い星の誕生の現場を観測して取りました。 その後、名古屋大学助手時代は、観測ロケット実験もやりました。 赤外線・サブミリ波とは？ 目でみえる光（可視光）よりも 波長 の長い光のこと。

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第１回 スペースからの 赤外線天文学の歴史 （兼　自己紹介）

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  1. 第１回スペースからの赤外線天文学の歴史（兼　自己紹介）第１回スペースからの赤外線天文学の歴史（兼　自己紹介） 平成24年度新潟大学理学部物理学科　 集中講義 松原英雄（ＪＡＸＡ宇宙研）

  2. 私は、宇宙の色々な天体を観測をする人工衛星（天文衛星といいます）で使って、宇宙の様々なことを調べています。私は、宇宙の色々な天体を観測をする人工衛星（天文衛星といいます）で使って、宇宙の様々なことを調べています。 主に、可視光・赤外線・サブミリ波です（が、Ｘ線も電波にも手を染めています）。 博士論文は（昔だったので）気球搭載の赤外線望遠鏡で重い星の誕生の現場を観測して取りました。 その後、名古屋大学助手時代は、観測ロケット実験もやりました。 赤外線・サブミリ波とは？ 目でみえる光（可視光）よりも波長の長い光のこと。 赤外線：　波長1ミクロン～300ミクロン サブミリ波：　波長300ミクロン～１ｍｍ 可視光で見るよりも低温のものが良く見える。 ミクロン＝ mm ＝　0.001 mm 講師の自己紹介

  3. 2本の缶コーヒー…..実は？ 可視光 赤外線 ホット コールド

  4. 宇宙科学研究所はＪＡＸＡの「本部」の一つです。宇宙科学研究所はＪＡＸＡの「本部」の一つです。 宇宙物理学研究系 太陽系科学研究系 学際科学研究系 宇宙飛翔工学研究系 宇宙機応用工学研究系 の５研究系と、衛星プロジェクトチーム・観測ロケット実験室・大気球実験室などから成ります。 宇宙科学専攻の基盤機関：JAXA宇宙科学研究所

  5. 宇宙科学研究所＝　　旧 宇宙科学研究所 旧 宇宙開発事業団 　　旧 航空宇宙技術研究所 東京大学 生産技術研究所(1949-) ⇒ 東京大学 航空研究所(1958-1964) ⇒ 東京大学 宇宙航空研究所(1964-1981) ⇒ 宇宙科学研究所(1981-2003) ⇒ 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA) 宇宙科学研究本部(2003-) JAXA宇宙科学研究所とは 宇宙航空研究開発機構(JAXA)

  6. JAXA相模原キャンパス 敷地面積： 73001m2 風洞実験棟 構造機能 試験棟 特殊実験棟 研究・管理棟 飛翔体環境試験棟 相模原市立博物館 門衛所 東京国立近代美術館 フィルムセンター相模原分室

  7. JAXA宇宙研の3つの顔 国の宇宙政策の実施 • 独立行政法人(JAXA)の1部門 巨大科学の推進 • 大学共同利用機関に準じる機関 最先端研究 • 大学系の研究所 • 総合研究大学院大学の基盤機関 • 東京大学大学院（学際講座） • 連携大学院など多数

  8. 総研大とは • 「総合研究大学院大学」の略 • 学部を持たず、大学院教育のみ • 大学専用のキャンパスを持たず、既存の大学共同利用機関を大学院教育に活用 • 文化科学、物理科学、高エネルギー加速器科学、複合科学、生命科学、先導科学の6つの研究科 • 物理科学研究科は、構造分子科学、　　機能分子科学、天文科学、核融合科学、宇宙科学の5専攻で構成　（23年度からの専攻長は私です）

  9. 宇宙科学専攻の講座　（教員数：８５名　２０１２年３月）宇宙科学専攻の講座　（教員数：８５名　２０１２年３月）

  10. 宇宙科学専攻の特徴 • 平成18年度から、五年一貫博士課程に改組しています（博士後期課程のみもあります）。 • 学生数は、各学年に４～6名です。 • つまり、教員数の方が圧倒的に多い！ • 最先端の専門的な教育が受けられると同時に、 （理学・工学にまたがる）様々な分野から学ぶことができます。 • RA制度、授業料免除、（学生支援機構の奨学金）、日本学術振興会特別研究員制度・・ • 「コース別大学院教育プログラム」がはじまりました。 • 願書受付期間：　2012年7月20－26日

  11. JAXA相模原キャンパス特別公開 2010年度は2日間で 約3万4千名が来場 平成24年は7月27－28日です！

  12. スペースからの赤外線天文学の歴史

  13. 天体観測とは？ • 目で見える波長は、天体からの電磁波のごくごく一部です。 • いろんな電磁波を観測するには、その電磁波を感じる「検出器」（電磁波を受けて、電気信号を生じるもの）が必要です。 • また天体からの電磁波は微弱なため、光を集める「望遠鏡」（やアンテナ）が必要です。 望遠鏡 （ナスミス式の例） 検出器

  14. 大気の吸収・放射がない。 波長1-1000ミクロン全域で観測可能 「赤外で暗い夜空」が得られる スペースからの観測 赤外～サブミリ波波長帯における地球大気の透過スペクトル（上段）と、放射スペクトル（下段）を色々な高度から天空を観測した場合について比較したもの。高度250km以上の衛星軌道ではじめて、惑星間塵の放射など宇宙起源の拡散放射しか存在しない「暗い夜空」が得られる。

  15. 赤外線観測では望遠鏡自身が明るい「邪魔者」赤外線観測では望遠鏡自身が明るい「邪魔者」 次世代赤外線天文衛星SPICAの資料より

  16. 観測性能を決めるパラメータ • 「性能」と言っても色々あります。これから紹介する天文衛星の性能に、どんな特徴や違いがあるか注意して下さい。 • 波長帯 • 波長分解能 • 視野 • 空間分解能 • 検出限界

  17. 温度計 スリット プリズム 赤外線 天体 目で見える 光 紫外線 スクリーン 波長帯と波長分解能 • 波長帯（波長域） • 観測可能な波長の範囲 • 波長分解能 • 波長分解能（R = λ / Δλ　） • 隣り合うスペクトル線がどこまで近くの波長まで分解できるか？

  18. 視野と空間分解能 • 視野 • どれだけ広い天空の領域を同時に見られるか？ （カメラの画角のこと） • 空間分解能 • 隣り合う空間の2点をどれだけ別の点と認識できるか？ • 回折限界（レーリーの基準） • θ = 1.22λ / D • λは光の波長 • Dは光を集める（カメラなら対物レンズの直径。

  19. 検出限界とは • どれだけ暗い天体まで、天体として検出できるか、の限界能力 • 天体からの信号と雑音の比 • 信号は？ • 集光力に比例します。 • 観測（露光）時間に比例します。 • 集光力：光を集める面積。望遠鏡の口径の二乗 • 雑音は？ • 検出器自身の持っている雑音 • 大気や望遠鏡からの光子数のゆらぎによる雑音

  20. 天文衛星には、大別して二種類ある • サーベイ型 • 掃天観測（スカイサーベイや天体サーベイとも呼ぶ)を主に行う天文衛星のこと。サーベイとは望遠鏡を用いて一定範囲の夜空を観測することです。 • 観測計画は、打ち上げ前から決まっています。 • 天文台型 • 特定の天体・天空の領域を、様々な天文学上の目的のために観測する天文衛星。 • 観測公募とその選定を受けて、観測計画を打ち上げ後に決めることが多い。

  21. スペース赤外線天文学の歴史（１）～まず１９９０年代～スペース赤外線天文学の歴史（１）～まず１９９０年代～

  22. 1983年に米・蘭・英の三国共同で打ち上げ 口径60cm、2Kに冷却　 （K：絶対温度） 12、25、60、100mmの4バンドで、初めて全天をサーベイ。 IRAS　（アイラス）

  23. COBE（Cosmic Background Explorer） 1989年11月打ち上げ（NASA）の天文衛星 赤外～マイクロ波領域にわたり、全天の拡散放射を極めて精度良く測定 COBE（コービィ） • 搭載装置 • DIRBE • （Diffuse Infrared Background Experiment) ビーム0.7角、 • 波長1.25 -- 240 ミクロンにわたる １０バンド測光器 • FIRAS • (Far-infrared Absolute Spectrometer) • ビーム7 • 波長100～1000ミクロンの分光器

  24. IR Sky observed with COBE/DIRBE 黄道光 （太陽系内の塵からの赤外線放射） 銀河系内の星間塵からの赤外線放射 Kelsall et al. (1998) ApJ 508, 44 Arendt et al. (1998) ApJ 508, 74

  25. ESA が1995年11月打ち上げた宇宙天文台（～1998 April） 初めて2次元アレイセンサーが搭載 （32ｘ32画素＠3-17mm） 3-200mmの分光器も搭載 日本も観測プログラムに参加 ISO（Infrared Space Observatory)（アイソ）

  26. 星のうまれるところを赤外線で見たら？ 赤外線ではチリがかがやいて見える！

  27. NGC 4038 NGC 4039 衝突中の銀河の赤外線画像 衝突によって星がうまれたところのチリがあたためられて、赤外線で明るく見える。

  28. ISO 90 Micron 170 Micron ＩＳＯによる遠方宇宙の赤外線で明るい銀河サーベイ川良・谷口・松原・奥田・大薮他、1998年記者発表 予想よりもはるかに多い赤外線銀河を発見！

  29. IRTS （アーツ）(Infrared Telescope in Space) • ミッション: 1995年 3-4月 (26日). • HIIで打ち上げられたSFU (Space Flyer Unit)に搭載、シャトルで回収。 • 望遠鏡は15cm、全天の7%をサーベイ。

  30. IRTSの成果ー我々の銀河系から「拡散した有機物からの放射」の発見IRTSの成果ー我々の銀河系から「拡散した有機物からの放射」の発見 星（波長3ミクロン連続波）の分布 3.3ミクロンの有機物からの放射の分布 http://www.ir.isas.ac.jp/irts/nirs/uir_intro.html

  31. ２０世紀の赤外線天文衛星性能のまとめ

  32. ２０００年代に活躍（中）の赤外線天文衛星 あかり（２００６） スピッツァー（２００３） ハーシェル（２００９）

  33. 2003年8月に打ち上げ。天文台型。 ミッション期間： 2.5年（5年目標） Solar Orbit スピッツァー （Spitzer）

  34. Spitzerの撮像バンドと視野・画素数

  35. SWIRE　（50平方度のサーベイ）

  36. 赤外線天文衛星「あかり」 • 赤外線（波長2－160ミクロン）で全天の様々な天体を観測しました。 あかりちゃん 作成：櫨香奈恵・櫨まどか

  37. 人工衛星 高度 700 km 昼夜の境界上を飛行 一周約100 分間 軌道 を一周する毎に、観測する方向も一回転する。 10分間ほど静止して特定方向を集中的に観測することもできます。 「あかり」はどんな方法で天体観測をしたのか？ スキャンパスは周回毎に４分ずつずれていきます。 この方法で全天を半年で観測できます。

  38. AKARI All-Sky Survey All sky in Galactic coordinatesen at 9mm

  39. AKARI asteroid catalog (AcuA) Animation: 2006/02/22 – 2007/08/31 - Obs. start: 2006/04/23 (05/08) - LHe boiled off: 2007/08/26 100 – 50km > 100km < 50km Bright asteroids (albedo > 0.1) Dark asteroids (albedo < 0.1) Sun, Earth, Mars, Jupiter

  40. Herschel launched 14 May 2009 Credit: ESA

  41. JWST(2018?) 6.5m、30K 0.6~27mm 将来のスペース赤外天文ミッション • SPiCA(2022) • 3.2m、＜6K • 5~210mmメイン

  42. 検出限界比較（撮像、点源） Flux （放射流束） • 単位時間・単位振動数・単位面積当たりの天体からの電磁波のエネルギー 暗い天体 （下ほど性能がよい）

  43. （スピカはおとめ座の1等星の名前です） 次世代赤外線衛星スピカを紹介します

  44. ＳＰＩＣＡの仕様 • ミッション： 中間・遠赤外線領域の高感度・高空間分解能観測により、「銀河誕生のドラマ」と「惑星系のレシピ」を探る • 望遠鏡口径: 3.2m • 望遠鏡温度： 6 K　（－267°C） • 「あかり」のように液体ヘリウムは使いません！ • 総質量：　約3.7t • ミッション期間：最低３年、５年目標Weight: 3.7 t • 打ち上げ: H-IIAロケットにより2022年度の打ち上げを目指している）

  45. ＳＰＩＣＡは１５０万ｋｍ彼方のＬ２点に置かれる、日本が主導して開発・運用する宇宙天文台です。ＳＰＩＣＡは１５０万ｋｍ彼方のＬ２点に置かれる、日本が主導して開発・運用する宇宙天文台です。

  46. どうやって望遠鏡を冷やすの？ • あかり • 観測装置: 42 kg • 冷却装置: 460 kg • 200 kg はクライオスタットの外壁 • 液体ヘリウム170リットルで寿命が制限（1.5年）

  47. 新たな宇宙史を拓く、圧倒的な性能 「あかり」の 約１００倍の高性能！ • これまでになく大口径の極低温（－267°C）宇宙赤外線望遠鏡 • 最先端の赤外線観測装置を搭載

  48. ＳＰＩＣＡはこんなにすごい！ 「あかり」 深宇宙探査 ＳＰＩＣＡだと （シミュレーション） Courtesy to Ko Arimatsu @U. Tokyo

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