SKA計画の現状と課題

2015年9月16日

光赤天連シンポジウム＠三鷹

小林秀行（国立天文台）

計画の外観• 集光面積1平方キロ級の電波干渉計• 周波数 50 MHz から 25 GHz• 豪州に開口アンテナ 100 万台• アフリカ南部に直径15 m鏡 2000 台• 最大基線長 3000 km を光結合• 準自動・準リアルタイムのデータ処理• 第1期(SKA1)と第2期(SKA2)に分け建設• 10カ国出資、世界100機関以上が協力

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

写真はWPC INFRAより2

• SKA: will be one of the great physics machines of 21st Century and, when complete, one of the world’s engineering marvels.

• Science goals:

– Fundamental physics: Gravity, Dark Energy, Cosmic Magnetism

– Astrophysics: Cosmic Dawn, First galaxies, galaxy assembly and evolution; proto-planetary discs, biomolecules, SETI + much more

– The unknown: transients; +…????

• Broader science range than any other science facility on Earth.

SKA Science

SKA1&2ヘッドラインサイエンス1

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

SKA1 SKA2

宇宙の夜明けと宇宙再電離

宇宙再電離構造の直接撮像(z = 6 – 12)

宇宙の夜明けの直接撮像(z = 12 – 30)

宇宙の夜明けを垣間見る（1分角までの空間スペクトル、10分角での撮像）

夜明け前の宇宙を垣間見る(z > 30)

ブラックホールやパルサーを使った強重力場の検証

nHzの確率論的な宇宙背景重力波の世界初の検出

個別の天体の重力波天文学の新展開（銀河進化、宇宙論など多岐に波及）

一般相対性理論の検証を可能にするNS-NSまたはPSR-BH連星系の発見と利用

天の川銀河の4万のパルサーを全て見つける。宇宙検閲官仮説と脱毛定理の検証。

中性水素で探る銀河進化

1千万銀河のガスの性質を平均0.3、最大1の赤方偏移まで紐解く。バリオン音響振動。

10億銀河のガスの性質を平均1、最大5の赤方偏移まで紐解く。世界最高の精密宇宙論

3 Mpc離れて、銀河に50pcの分解能、NH < 1017の銀河間ガスに1kpcの分解能

10 Mpc離れて、銀河に50pcの分解能、NH < 1017の銀河間ガスに1kpcの分解能

ダイナミックな電波の空

FRBを使って宇宙論が予言する最後のピース（ミッシングバリオン）を暴く

FRBを使って独立した宇宙論パラメータの調査と銀河間磁場の調査を行う

ガンマ線バーストのフィードバックと超巨大ブラックホールによる星の潮汐破壊の研究

未知の発見4

SKA1&2ヘッドラインサイエンス2

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

SKA1 SKA2

生命のゆりかごと宇宙生命の探査

100pc内の原始惑星系円盤で氷雪帯内の撮像。アミノ酸の調査

150pc内の原始惑星系円盤でサブAUスケールの撮像。アミノ酸の研究

1万個の近傍の星から空港レーダーを見つける10万個の近傍の星から空港レーダーを見つける

10の最近傍星ではTV中継が見える感度

宇宙磁場の起源と進化

銀河内から宇宙ウェブまでの磁場の役割。1100万RM画素の全天マップ

宇宙磁場の起源と増幅の歴史。1.8億RM画素の全天マップ

14 Mpc先で100pc, z~0.04で1kpcの分解能での3次元トモグラフィー

50 Mpc先で100pc, z~0.13で1kpcの分解能での3次元トモグラフィー

宇宙論と暗黒エネルギー

暗黒エネルギー、修正重力、超地平線スケールでの物質分布の制限（Euclid衛星と比類）

暗黒エネルギー、修正重力、超地平線スケールでの物質分布の制限（世界最高品質）

原始非ガウス性と物質双極性。Euclid対比2倍強いfNL制限

原始非ガウス性と物質双極性。Euclid対比10倍強いfNL制限

連続波で探る銀河進化

星形成率調査(10 Mo/yrならz ~ 4まで)

星形成率調査(10 Mo/yrならz ~ 10まで)

空間分解した星形成の宇宙物理(活動的なsub-kpc領域がz ~ 1まで)

空間分解した星形成の宇宙物理(活動的なsub-kpc領域がz ~ 6まで) 5

• 135 self-contained chapters• Published electronically in Proceedings of Science,

May 2015• Printed Book ~2000 pages, in 2 volumes now with

printer

SKA Science Book:

Volume 1 Volume 2

SKA-MID, Karoo, South Africa:

Phase 1: 200 15m dishes spread over 150km (2018 – 2023)

Phase 2: 2500 dishes spread over 3500km (2025 – 2033)

The Karoo

• 800km north of Cape Town

• Radio quiet protected by

Astronomy Advantage Act

• Building on MeerKAT

SKA-LOW, Murchison, Australia:

Phase 1: 130,000 dipole antennas over 80km (2018 – 2023)

Phase 2: 500,000 dipoles over 250km (2025 – 2033)

Murchison Desert

• 800km north of Perth

• Very low popn density

• Radio quiet zone protected

by ACMA

• ASKAP and MWA

precursors

SKA第1期 (SKA1)

• 建設2018-2023、初期科学運用2020-、本運用2023-2028

• 建設費 ~650M€、5年間運営費 ~50M€/年→2015 rebaselining

SKA1-LOW 豪州ログペリ 13万基256基”35m鏡”×512

台最大基線長70km

ASKAP 豪州12m ASKAP鏡 36台

フェイズド・アレイ・フィード(PAF)

SKA1-MID 南ア15mSKA鏡 133台13.5m MeerKAT鏡 64台最大基線長150km

+

9

3. SKA計画のエンジニアリング

SKA第2期 (SKA2)• コンセプト2016-、設計2018-、建設2023-、運用2028-

• 建設費~?000M€、運営費~?00M€/年

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

SKA2-LFAA 豪州ログペリ 100万基最大基線長3000km

SKA2-MFAA 南ア密開口アンテナ 250局フェイズドアレイ技術(視野200平方度)

SKA2-DISH 南ア15mSKA鏡 2500台最大基線長3000km

PAFか広帯域フィード10

Sensitivity Comparison

Survey Speed Comparison

Resolution Comparison

1. SKA計画の組織と行程

SKA計画の組織• SKA理事国（メンバー国）

– オーストラリア・カナダ・中国・インド・イタリア・ニュージーランド・南アフリカ・スェーデン・オランダ・イギリスの10ヶ国が出資

• SKAオブサーバー国

– ブラジル・フランス・ドイツ・日本・韓国・マルタ・ポーランド・ポルトガル・ロシア・スペイン・アメリカ

• SKA機構– 英Jodrell Bank観測所内にSKA恒

久本部がある

– 2018年に政府間機構「SKA天文台」へと改組する予定

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

SKA関係国

SKA本部

14

1. SKA計画の組織と行程

SKA機構本部(SKAO)

2015/7/14 日本SKAコンソーシアム

管理・人事部門長Colin Greenwood

管理・人事メンバー10(財務・総務・ITなど)

科学部門長Robert Braun

科学部門メンバー4(科学系の設計・監督)

設計部門責任者Peter Dewdney

設計部門メンバー4(ドメインスペシャリスト、工学系の設計・監督)

機構長Philip Diamond

副機構長・計画長Alistair McPherson

常勤スタッフ 49名(2015年7月現在)

WPC

WPC

運用計画部門長Gary Davis

運用部門メンバー2(プラン・設計)

プロマネ部門長Andrea Casson

SE部門長Tim Stevenson

SE部門メンバー9(工学系の設計・検査)

プロジェクトマネージャー集団9

(コンソーシアム管理)

SWG

政策部門長Simon Berry

広報部門長William Garnier

政策部門メンバー3(ポリシー・産業界)

広報部門メンバー2(ウェブ・月刊誌)

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• SKA Member governments will negotiate the establishment of an

intergovernmental organisation (IGO), similar to

ESO/CERN/ITER/ESA.

• Will provide:

– Long-term government commitment and funding stability

– Availability of Privileges and Immunities from members

– ‘Freedom to operate’, specifically through procurement

process

• First formal negotiation meeting: 14-16 October, Rome.

– Draft treaty text exists

– Draft procurement policy, draft financial protocol + more, all exist

Evolve to Inter-governmental Organisation

SKA建設・運用スケジュール

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム20162015 2017 2018 2019 2020 2021 2022 20232014

High level design

Rebaselining submissions (RBS)

Preliminary Design Review (elements)

Detailed design

Prototype systems deployed

Critical Design Review

SKA1 construction approved

Procurement

SKA1 early science

SKA1 construction

SKA2 detailed design

Design consortia start

SKA2 procurement

SKA2 construction starts

SKA2 concept development

Board RBS approval 3-5 Mar 15

15-22 Sep 14

1 Nov 13

Pre-construction Stage 1

Pre-construction Stage 2

New SKA Organisation in place

Key Doc Set & Prospectus

Formal negotiations

Ratification of Agreements Organisation has minimum no. Members with Agreements ratified

Agreements in Key Doc Set signed

System PDR

Integration testing on site

Advanced Instrumentation Prog.

KEY: Blue = SKA1 science & engineering; orange = policy; green = SKA2 提供: Alistair McPherson, Robert Braun

SK

A1

fu

ll s

cie

nce

20

23

-20

28

, S

KA

2 2

02

8-

17

1. SKA計画の組織と行程

SKA-JP(2008年5月設立)

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム

会員177名(2015年5月現在)

会長杉山直（名古屋大）

広報中西裕之（鹿児島大）

副会長高橋慶太郎（熊本大）, 赤堀卓也（鹿児島大） 国立天文台

大学支援経費(旧頭脳循環)

(小林,本間)杉山,半田,高橋,市來,今井,中西,

赤堀,長谷川

SKA

機構・

欧州豪州南ア

広帯域フィード氏原秀樹（情報通信研）

デジタル信号処理中西裕之（鹿児島大）

偏波トモグラフィー倉山智春（帝京科学大）

国際SKA科学検討班

のべ34名井上進(MPIf)

ら

国際SKA

SWG

産業フォーラム熊澤寿樹（東陽テクニカ）

産業界

科学検討班市來淨與（名古屋大）

理論懇等

技術検討班

青木貴弘（早稲田大）

宇電懇等

顧問小林秀行、本間希樹（国立天文台）

予算獲得今井裕（鹿児島大）

高赤方偏移平下博之（ASIAA）

宇宙論山内大介（東大）

再電離長谷川賢二（名古屋大）

銀河進化竹内努（名古屋大）

宇宙磁場町田真美（九州大）

パルサー高橋慶太郎（熊本大）

星間物質立原研吾（名古屋大）

突発天体青木貴弘（早稲田大）

位置天文今井裕（鹿児島大）

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2. SKA計画のサイエンス

日本での科学検討の状況• 日本版SKAサイエンスブック2015

– 326ページ、のべ７４名の著者

– 再電離、宇宙論、銀河進化、パルサー、宇宙磁場、近傍宇宙時空計測、星間物質、突発天体

– 「背景」を教科書的に

– 「国際サイエンス」を総説的に

– 「日本のサイエンス」を白書的に

• 2015年12月までに– Use Caseを作成�実現性検討

– 洗練し英語化�国際発信

2015/7/15 日本SKAコンソーシアム 19

エンジニアリングにおける日本への期待• キーワード「高信頼性」「低電力」「低コスト」

– WBSPF（特に20 GHz帯域以上の性能・安定したゲイン）– MFAA・PAF（システム安定性や有効FOVの向上）– DSHデジタル信号処理（システムRFI軽減、広帯域高速AD変換）– DSH冷却システム（PAF。Band2で1.8m直径あるものを安定的に冷やす）– LFAA/MFAA/CSPビーム形成（SKA1-LOWだけで2.7 MWも消費）– SaDT情報通信技術（100万台もあるLFAAのRFファイバーリンク）– CSP相関処理（GPGPUやFPGAの相関器、相関アルゴリズム）– SDP科学データ処理（LFAAの較正、自動データパイプラインの開発）– SDPビッグデータの扱い（データ収集、転送、保存、処理）

• SKA機構は日本（の産業界）に期待している– 高機能新素材（カーボンナノチューブ、炭素繊維、低損失光ファイバー）– 送電（スマートグリッド、低損失送電システム(HVDC送電)、蓄電技術）– 高信頼性民生品（調達・保守コストを削減）– 省エネスパコン（グリーン500などに代表される省電力計算機）– 運用ノウハウ（大規模システムを高精度に）– 高性能産業用ロボット（遠隔地、極地）

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SKA1の課題

• 予算分担の考え方と具体化が今後、必要

• 参加国の役割分担を決める必要がある。– 例、 MIDのアンテナを南ア・中国・カナダで試作中

• 建設体制・役割分担の具体化

• 日本がコミットする場合の体制・予算・スケジュール– 日本（NAOJ)は、2022年まではTMT建設

• 日本のサイエンスでコミットする場合の方法・体制

まとめ

• SKAは、21世紀の（電波）天文学が達成すべき科学装置であり、天文学・物理学に大きなインパクトがある。

• SKA１は2022年完成（2020年から初期科学運用）で動き始めている。

• 日本の貢献は、サイエンスの検討はかなり進んでいるが、エンジニアリング・プロジェクトとしては今後の課題であるが、何らかのコミットは必須