Formation Processes of Heavy Elements in the Early Universe Elucidated by Superconducting Nanoelectronics, Large-Scale Numerical Simulations, and Data Science

• Project/Area Number: 23K20035
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 河野 孝太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80321587)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹腰 達哉 北見工業大学, 工学部, 助教 (00714164) ; 森脇 可奈 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60962321) ; 田村 陽一 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (10608764) ; 池田 思朗 統計数理研究所, 数理・推論研究系, 教授 (30336101) ; 吉田 直紀 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任教授 (90377961)
• Project Period (FY): 2023-11-17 – 2030-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥688,870,000 (Direct Cost: ¥529,900,000、Indirect Cost: ¥158,970,000); Fiscal Year 2029: ¥79,430,000 (Direct Cost: ¥61,100,000、Indirect Cost: ¥18,330,000); Fiscal Year 2028: ¥79,430,000 (Direct Cost: ¥61,100,000、Indirect Cost: ¥18,330,000); Fiscal Year 2027: ¥79,430,000 (Direct Cost: ¥61,100,000、Indirect Cost: ¥18,330,000); Fiscal Year 2026: ¥83,980,000 (Direct Cost: ¥64,600,000、Indirect Cost: ¥19,380,000); Fiscal Year 2025: ¥124,150,000 (Direct Cost: ¥95,500,000、Indirect Cost: ¥28,650,000); Fiscal Year 2024: ¥142,480,000 (Direct Cost: ¥109,600,000、Indirect Cost: ¥32,880,000); Fiscal Year 2023: ¥99,970,000 (Direct Cost: ¥76,900,000、Indirect Cost: ¥23,070,000)
• Keywords: 輝線強度マッピング / 集積超伝導分光 / 疎性モデリング / 深層学習 / サブミリ波 / サブミリ波輝線強度マッピング / 宇宙における重元素生成集積史 / 集積超伝導分光器 / 大規模宇宙論シミュレーション / データ科学に基づく観測・解析手法

Outline of Research at the Start

生命や惑星を構成する重元素が宇宙史の中でいかに形成・集積されたかという根源的な疑問に迫るため、炭素や酸素のイオンから放射されるスペクトル線に着目したサブミリ波帯での輝線強度マッピングを行う。超伝導ナノエレクトロニクス・大規模宇宙論シミュレーション・データ科学・観測天文学の緊密な連携により、既存計画と比して1桁以上の性能飛躍をもたらず次世代3次元分光撮像器TIFUUNを開発し、その性能を引き出す新たな観測およびデータ解析の戦略を策定する。ASTEでの輝線強度マッピング観測に加え、LMT-FINER等を用いた個別観測とあわせ、宇宙最初の20億年間における塵に隠された星形成史の全貌を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

研究初年度となる2023年度は、2023年11月からの研究開始を受け、(1)集積超伝導分光技術の開発、(2) 大規模数値シミュレーションを含む理論的研究、(3) データ科学的な手法を駆使した観測および解析手法の開発、という3つの研究の柱を示すホームページを開設した。本国際先導研究の実働を担う若手研究者1名の雇用を速やかに開始し、さらに次年度からの雇用に向けた複数の公募開始等の手続きも進めた。集積超伝導技術を駆使して開発されたミリ波サブミリ波帯超広帯域分光装置DESHIMA2.0をチリ・アタカマ高地で稼働する口径10mのサブミリ波望遠鏡ASTEに搭載し、性能評価および試験観測を実施した。この試験観測で天体信号の検出および200GHz幅という超広帯域分光性能の天体信号を使った実証に成功し、さらに解決すべき技術的課題を洗い出すことができた。DESHIMA2.0は、本国際先導研究において実現する3次元分光撮像装置TIFUUNの基盤となる装置であり、次の開発に向けて非常に有用かつ重要な知見を得ることができた。この一連の活動においては、デルフト工科大学の研究者と共に日本からの若手研究者および博士課程大学院生がチリに滞在し、共同研究を進めることができた。また次の観測セッションの準備に向け、若手研究者をデルフト工科大学に派遣して共同研究を進めた。データ科学的手法を用いた観測および解析手法の開発については、2024年2月に研究会とそれに続くキックオフ会議を実施し、DESHIMA2.0で取得されたデータに対するスパースモデリングを使った解析手法の適用について検討を開始した。野辺山45m電波望遠鏡を使ったOn-The-Fly観測で取得したミリ波分光撮像データに対する適用の検討にも着手した。輝線強度マッピングの理論的研究の推進のほか、大学院生・若手研究者が主体となる検討会の立ち上げ準備も進めた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本国際先導研究の基軸の一つとなる集積超伝導分光技術の実装および科学成果獲得に向けたDESHIMA2.0の望遠鏡搭載と性能評価・試験観測が進展した。ここに若手研究者および博士課程大学院生も参画してデルフト工科大学・オランダ宇宙研究所SRONなどの研究者との共同研究が進んでいる。試験観測期間中に発生した望遠鏡の障害（副鏡制御系）のため、データ取得が限定的なものにとどまっていること、さらに実験室では見られなかった超過雑音が発生する事象が時折見られること、など、想定外の問題も起きている。しかし、これらを含めて、次のステップである3次元分光撮像装置TIFUUNの開発とそれを使った長時間観測の準備を進める上で、貴重な経験と知見が得られていると評価する。データ科学的手法を使ったDESHIMA2.0の実データに対する解析の検討や、輝線強度マッピングの理論的研究、また手法の理解を深め仕様作成に繋げる大学院生・若手研究者主導の検討会の準備が進んでことなども踏まえ、研究の進展は順調であると判断している。

Strategy for Future Research Activity

集積超伝導分光技術による科学的成果を挙げるため、超広帯域ミリ波サブミリ波超伝導分光装置DESHIMA2.0の性能評価および科学観測運用を本格的に行う。超広帯域分光特性を活かしたデータ科学的手法に基づく大気雑音分離手法の開発等も進める。これと並行して、3次元分光撮像装置TIFUUNの試作モデルの開発を進める。大学院生や次年度から雇用が本格的に進む若手研究者とともに、輝線強度マッピングや宇宙論数値シミュレーションの検討も進めていく。超伝導高分散分光観測装置LMT-FINERやアルマを使った高赤方偏移銀河からのスペクトル線観測の推進とあわせ、観測されたスペクトル線の解釈をより深めるためのツールに関するワークショップを実施する。キックオフ会議の開催を通して、こうした国際先導研究の内容を周知すると共に、この分野における若手研究者・大学院生の海外での活躍をさらに促す取り組みも進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学/オランダ宇宙研究所 SRON/ライデン大学(オランダ)
• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア大学/アリゾナ大学/カリフォルニア大学オースチン校(米国)
• [Int'l Joint Research] マルセイユ天体物理学研究所(フランス)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所 MPE(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] INAOE(メキシコ)
• [Int'l Joint Research]
• [Presentation] Detector design for a wideband multichroic camera in millimeter and submillimeter astronomy (2024)
  • Author(s): Uno, S.
  • Organizer: 宇宙電波懇談会シンポジウム2024
  • Invited
• [Presentation] スペース遠外線ミッションと地上大型サブミリ波望遠鏡LST/AtLASTとのシナジー (2024)
  • Author(s): 田村陽一
  • Organizer: 遠赤外線天文学の将来サイエンス検討会
  • Invited
• [Presentation] 多相星間物質モデルで探る宇宙再電離期の星形成銀河における中性ガスの"porosity"の推定 (2024)
  • Author(s): 萩本将都
  • Organizer: 遠赤外線天文学の将来サイエンス検討会
• [Presentation] GLTCAM:グリーンランド望遠鏡用ミリ波帯 3 色検出器の開発 (2024)
  • Author(s): 渡邉一輝ほか
  • Organizer: 日本天文学会2024年春季年会
• [Presentation] 条件付き生成モデルにって探る遠方銀河の性質と宇宙再電離の関連 (2024)
  • Author(s): 森脇可奈
  • Organizer: 日本天文学会2024年春季年会
• [Presentation] 集積超伝導分光器技術を用いたサブミリ波分光撮像観測の展望 (2024)
  • Author(s): 河野孝太郎
  • Organizer: 次世代のサブミリ波観測とシミュレーションの計画検討会
  • Invited
• [Presentation] 集積超伝導分光技術 x 大規模シミュレーション x データ科学で切り拓くサブミリ波輝線強度マッピングの新展開 (2024)
  • Author(s): 河野孝太郎
  • Organizer: 宇宙電波懇談会シンポジウム2024
• [Presentation] Submillimeter-wave [CII]-line intensity mapping using TIFUUN on ASTE (2023)
  • Author(s): Kohno, K., et al.
  • Organizer: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2023
• [Presentation] DESHIMA 2.0: Commissioning campaign in 2023 (2023)
  • Author(s): Tamura, Y., et al.
  • Organizer: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2023
  • Invited
• [Presentation] A 10.24-GHz-wide digital spectrometer array system for LMT-FINER: system design and laboratory performance verification (2023)
  • Author(s): Hagimoto, M., et al.
  • Organizer: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2023
• [Presentation] Far-Infrared Nebular Emission Receiver (FINER) for the Large Millimeter Telescope: Current development status (2023)
  • Author(s): Taniguchi, A., et al.
  • Organizer: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2023
• [Presentation] Development status of waveguide components and optics for LMT-FINER (2023)
  • Author(s): Kang, H., et al.
  • Organizer: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2023
• [Remarks] 超伝導工学・大規模数値計算・データ科学で解明する宇宙最初期の重元素生成過程
  • URL: https://sites.google.com/view/sublime-tifuun/home