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宇宙の一番星
宇宙の一番星
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ガンマ線バースト
ガンマ線バースト
偏光
偏光
観測衛星の提案
観測衛星の提案
片岡 淳 （東工大基礎物理学専攻）
斉藤孝男、古徳純一、河合誠之 （東工大基礎物理学専攻） 今井 勝俊、松永 三郎 （東工大機械宇宙システム専攻） 偏光Ｘ線観測衛星「つばめ」 偏光Ｘ線観測衛星「つばめ」目次
東工大 Cube-Sat プロジェクト 小型衛星で狙うサイエンス ガンマ線バースト即応、「燕（つばめ）」の提案 ¾ 宇宙の果てを見る： ガンマ線バースト ¾ 2003 CUTE-1 ¾ 偏光観測の意義 ¾ 2005 Cute-1.7 ¾ 理学センサー部の設計 ¾ CMG を用いた高速姿勢変更 「2004年度衛星設計コンテスト」設計大賞 より詳しい資料は http://www.hp.phys.titech.ac.jp/kataoka/tsubame.pdfCUTE-1 プロジェクト ＠東工大機械宇宙システム
CUTE-1衛星とは？ ¾ 10ｘ10x10 cm3, 1 kg, 電力3W の「世界最小」衛星 ¾ 2003.6/30 に、ROCKOT により、ロシアから打ち上げ ¾ 高度 820 km, 傾斜角 98.7° ¾ 現在も順調に運用 http://lss.mes.titech.ac.jp/ssp/cubesat/index.html 宇宙工学の裾野を広げる 学生主導によるスキルアップ 民生部品の積極的導入 アマチュア無線家への還元2号機: CUTE-1.7 プロジェクト
10cm 10cm 20cm 20cm 10cm 10cm APD APDモジュールモジュール 1cm 衛星コンセプト ¾ 10x10x20cm3、3.5 kg, 5W ¾ 理工初の連携ミッション 工学目標 ¾ 「サテライト・コア」構想の実証 ¾ 民生部品、携帯端末の宇宙利用 理学目標 ¾ 「新しい」理学センサー（ＡＰＤ） の宇宙動作実証 ¾ 地磁気異常帯(SAA)やオーロラ 帯の低エネルギー 粒子計測 SAA SAA オーロラ帯 オーロラ帯Cute-1.7の準備状況
打ち上げ機会・現状 60 60Co Co 照射照射 2004.7. 2004.7. 陽子照射陽子照射(@(@阪大阪大)) 2005.5. 2005.5. 6060CoCo照射（照射（@@東工大）東工大） 2005.7. 2005.7. 振動試験振動試験(@JAXA)(@JAXA) 1段目 3 3段目段目 2段目 M M--VV 8 8号機号機 サブペイロード サブペイロード Cute Cute--1.71.7 ¾ M-V 8号機サブペイロードでの 打ち上げ(2006・2月)を目指す ¾ 現在、フライトモデルを試験中 ¾ 振動、放射線、熱環境試験など、 順調にクリア 打ち上げ 打ち上げ を待つばかり！を待つばかり！What is the next ?
「最先端科学」へのチャレンジ ¾ ““小さかろう小さかろう””＝＝““悪かろう悪かろう”” ではない！ではない！ 小型だからこそ、できるサイエンス はくちょう衛星 (1979 日本) Einstein衛星 (1978 USA) 96 kg 3500 kg ¾ 目的とするサイエンスを絞る 小型衛星でも世界第一級の成果 初期のＸ線天文衛星 ¾ 打ち上げ機会に恵まれ、比較的短期に 限られたマンパワー、予算で開発 ~ 20 kg級衛星で ガンマ線バーストの “早期” 偏光X線観測 柔軟かつチャレンジングなミッションガンマ線バースト(GRB)：宇宙最大の爆発！
明るさ 時間 数十秒 宇宙創生(ビッグバン)以来、最大の爆発現象 ¾ 1960年代に、核実験探査衛星により発見 ¾ 宇宙の一点から、数秒～数百秒間にわたり 強力なガンマ線が降り注ぐ 瞬間的には、宇宙で一番明るい 観測的な困難 ¾ いつ、どこで起こるかは予言できない ¾ 突発的 ＝ フォローアップ観測が難しい 我々が開発したGRB専用衛星 （HETE-2）により、大幅な進展 ¾ 宇宙初期にあった大質量星の最期？ → ブラックホールに潰れる前の悲鳴？宇宙でもっとも遠い天体！
「すばる望遠鏡」による光学フォローアップ観測 ¾ ガンマ線バースト直後、光学波長で「残光」を観測 ¾ 2005年9月4日に起きたバースト 我々から 128 億光年離れた場所での爆発 （c.f. 宇宙の年齢は 137億年） バースト全体の 20 % は、さらに遠い宇宙から！ ¾ ガンマ線バーストをプローブ とした、「深」宇宙探査 z = 6.3日経新聞(2005.11/6)
東工大グループによる、観測成果 （河合教授ほか）
「燕（つばめ）」
： ミッション概要
¾ 大きさ: 30×30×20cm、重量: 20 kg 1. バースト発生 2. 発生検出・方向計算 3. 高速姿勢変更 4. 検出後、10秒 以内に観測開始 小回りの効く、「偏光Ｘ線・ガンマ線」観測衛星 ¾ バースト検出後、高速姿勢制御デバイスで迅速に （~10秒）姿勢を変更、 偏光観測を行う 新しい観測手法。世界でも前例なし 定常天体の 観測ミッション意義： Ｘ線偏光観測
偏光Ｘ線の出るしくみ ¾ 通常、光は「特別な方向」を持たない 無偏光 ¾ 光が偏るプロセス ＝ 「磁場」 と 「散乱」e
-磁場 磁場 シンクロトロン放射シンクロトロン放射 無偏光 無偏光 散乱による偏光 散乱による偏光 偏光観測の現状 ¾ X線での成功例は、30年前に一例のみ （カニ星雲） ¾ 2008年度に気球実験による検証 （東工大、Stanford+NASA） ¾ ガンマ線バースト対応は世界初！ ブラックホール近傍や磁場構造を探る、新しいプローブ「燕」 ミッション理学検出器
散乱型硬Ｘ線偏光検出器 バースト位置検出器 バースト位置検出器 ¾ 常に全天を監視して、バーストを捉える ¾ 3面の CsI(Tl)シンチレータ＋ＡＰＤの 計数比から、~10°の精度で位置決定 散乱型硬Ｘ線偏光検出器 ¾ 衛星がバーストの方向に姿勢を変える 約10秒後から、偏光観測 ¾ 定常時は、ブラックホールやパルサー 等のデータを蓄積散乱型偏光検出器
散乱体 散乱体 （プラスチックシンチ） （プラスチックシンチ） 吸収体 吸収体 ( (CsICsIシンチ）シンチ） 偏光ベクトル 入射ガンマ線 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ カウン ト数 各散乱体＋APD 偏光なし 偏光なしの場合の場合 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ カウント 数 各散乱体＋APD 偏光あり 偏光ありの場合の場合 ¾ 中央の散乱体と、8個の吸収体 ¾ 偏光ベクトルと、垂直方向に ガンマ線は散乱されやすい ¾ 同時トリガにより、徹底的な低 バックグラウンド化 （過去のミッションからの教訓！）理学センサーからの要求
重量 > 6kg (衛星全体で ~ 20kg) 消費電力 > 6W (衛星全体で ~ 30W) データ量 2MB/day 大きさ > 約30×20×10cm (いかなる大きさにも、対応可能いかなる大きさにも、対応可能) さらに、 さらに、 ミッション期間 1年 反太陽指向制御 偏光計回転（バースト時3rpm、定常観測時1rpm） 高速な姿勢変更(~10秒)最重要!
高速姿勢変更：
C
ontrol
M
omentum
G
yro (CMG)
ホイールの回転数でなく、回転軸を 変えることでトルクを発生 効率が良く、即応性に優れる ¾ 発生トルク 40mNm ¾ 90度の姿勢変更を 10秒で 重量 2kg, 電力 2-4 W ４つの CMGを三軸トルカとして 9 小型衛星ならではの即応性 9 ガンマ線バースト方向への 高速姿勢変更CMG試作機 (東工大機械宇宙システム)
観測シミュレーション
ホイールの加速～観測開始まで
姿勢角(quaternion) 角速度 -0.2 -0.18 -0.16 -0.14 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0 2 4 6 8 10 12 14 Time [sec] A n g u le r V e lo c ity [ ra d /s ] -1 -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 0 2 4 6 8 10 12 14 Time [sec] Q u at er n io n わずか10秒！衛星内部機器配置
質量 小計
[g] [g]
偏光検出器 (P-Sci & PMT) (CsI＆APD)
位置検出器（CsI & APD) 300 5 1500
荷電粒子帯モニター 300 1 300 その他回路系 200 2 400 ジャイロ 7 1 7 太陽センサ 310 1 310 磁気センサ 92 1 92 CMG 2000 1 2000 GPS 35 1 35 磁気トルカ 22.5 3 138 UHF TX 350 1 350 UHF Tx (ビーコン用) 80 1 80 UHF RX 40 1 40 S-band TX 50 1 50 モデム 60 1 60 トリプレクサ 80 1 80 UHF アンテナ 30 1 30 S-band パッチアンテナ 80 1 80 シリコン太陽セル 1.86E-03 990 1.84 電源基板 1.00E+02 1 100 リチウムイオンバッテリ 38 26 988 マイクロナット 5 2 10 構造部材（柱） 80.7 4 322.8 75.32 4 301.28 48.42 4 193.68 構造部材（壁） 322.8 2 645.6 301.28 2 602.56 484.2 2 968.4 光電子倍増管支持部材 15.5 1 15.5 ヒーター 20 1 20 Harness その他 1000 C&DH OBC 100 1 100 EPS S&M 5250 ADCS Comm 数量 Mission 5250 1 サブシステム 機器名
全重量 約16kg
電源系・電力収支
On-Orbit Daylight On-Orbit Eclipse On-Orbit Daylight On-Orbit Eclipse Gyro 0.14 on on on on on on onCMG 2.50 off off on on off off off
CMG(Torquing) 5.00 off on off off on on on
Magnet Torquer 0.12 on on on on on on on
SunSensor 1.00 on on on off on off on
Magnet Torquer 0.21 on on on on on on on
GPS 0.40 on on on on on on on
Subtotal 9.37
OBC 3.00 on on on on on on on
Subtotal 3.00
SHF Tx 4.00 off off off off off off on
UHF Tx 4.00 off off off off off off on
UHF Rx 0.03 off off off off off off on
modem 0.13 off off off off on on on
UHF Tx(beacon) 0.40 on on on on on on on
Subtotal 8.56
Solar Paddle Deployment 8.00 off on off off off off off Subtotal 8.00
Solar Panel Not Active Active Active Active Active Active Active
Battery Heater 1.00 on on on on on on on
Subtotal 1.00
PMT 0.48 off off on on on on on
APD(polarized light) 1.29 off off on on on on on
APD(position determination) 1.28 off off on on on on on
ADC 0.68 off off on on on on on
Thermo surplementry Circuit 0.43 off off on on on on on
FPGA 1.60 off off on on on on on
Subtotal 5.75
TOTAL[W] 27.68 6.27 19.27 14.52 13.52 17.15 16.15 25.18 TOTAL (10% margin) 30.44 6.89 21.19 15.97 14.87 18.86 17.76 27.69
Time sec 300 60 3045 2107 3045 2107 900 Amount of Power to Need Wh 0.57 0.93 14.43 10.20 15.95 10.39 6.92 Power of Cell W 0.00 9.85 37.44 0.00 37.44 0.00 0.00 Use of Battery Wh 0.57 0.76 0.00 10.20 0.00 10.39 6.92 DOD % 0.48 0.64 0.00 8.49 0.00 8.65 5.76 Telemetry Com Power Occurrence of GRB C&DH AD&C Mission (GRB) S&M Paddle Deployment Non Occurrence of GRB COMPONENT POWER[W] Initial Attitude Control DOD （放電深度） 最大 8.5% (GRB時)
全電力 約30W
通信リンク確立 バス機器動作確認 パドル展開 姿勢決定 反太陽方向姿勢変更 初期運用 定常運用 バースト時運用 SAA通過時運用 通信時運用 観測機器キャリブレーション スピン開始 観測データ取得 検出器より方向データ取得 制御方向計算 姿勢変更（CMG) スピン開始 観測開始 データ保存 観測終了 姿勢復元 RBM検知 全観測器停止 観測器始動 定常観測停止 検出器動作継続 姿勢変更(CMG) 通信機作動 通信終了 姿勢復元
