極低温Siレンズを用いた広視野CMB 偏光望遠鏡の開発

• 研究課題/領域番号: 17H01115
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 関本 裕太郎 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (70262152)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円); 2020年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2019年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円); 2018年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円); 2017年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
• キーワード: 宇宙マイクロ波背景放射 / ミリ波光学系 / 広視野偏光観測 / 極低温望遠鏡 / 反射防止加工 / 高誘電体レンズ / ミリ波広視野光学系 / 偏光観測 / 極低温 / Bモード偏光観測 / Siレンズ / 広帯域反射防止 / 宇宙科学 / 電波天文学 / 広視野望遠鏡 / 極低温観測装置 / 宇宙背景放射偏光

研究成果の概要

宇宙マイクロ波背景放射(CMB) の偏光観測によって、インフレーションによって生じた原始重力波の痕跡(B-mode 偏光) の観測が可能である。CMB 偏光観測するのに適した広視野かつコンパクトなミリ波望遠鏡を開発した。広帯域かつ広視野にて観測することで、前景放射である銀河面内の星間ダストからの偏光を効率的に差し引くことができる。高い屈折率を持ちかつ低損失の高純度シリコン(Si) レンズに、広帯域反射防止膜を加工することに成功した。近傍解測定による広視野望遠鏡の遠方サイドローブを含めたビーム形状や交差偏波特性を高精度にて測定する手法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では広視野CMB偏光望遠鏡やその広角サイドローブの測定が実現した。これらは今後のCMB偏光実験や広視野ミリ波望遠鏡にも応用可能となる。高い屈折率かつ低損失のシリコンは、ミリ波光学系としてとても有望である。本研究による広帯域反射防止構造による大型のシリコンレンズは今後様々な分野で利用が可能となる。広視野CMB偏光望遠鏡の開発やその評価手法は、ミリ波天文学や大容量通信分野への発展につながる。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS/CNES/IRAP(フランス)
• [国際共同研究] Univ. of Rome/Univ. of Milano(イタリア)
• [国際共同研究] Univ. of California, Berkeley/NIST/Stanford Univ(米国)
• [国際共同研究] McGill Univ./Univ. of British Colombia(カナダ)
• [国際共同研究] University of California, Berkeley/University of California, San Diego/Stanford University(米国)
• [国際共同研究] IRAP/IAS/LAL(フランス)
• [国際共同研究] University of Rome/University of Milano/ASI(イタリア)
• [国際共同研究] Cardiff university/University College of London(英国)
• [国際共同研究] University of California, Berkeley/University of California, San Diego/Stanford University(米国)
• [国際共同研究] IRAP/IAS/LAL(フランス)
• [国際共同研究] University of Rome/University of Milano/ASI(イタリア)
• [国際共同研究] Cardiff university/University College of London(英国)
• [国際共同研究] MaxPlanck Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] IAS/LAL/IRAP(フランス)
• [国際共同研究] University of Roma/University of Milano(イタリア)
• [国際共同研究] Cardiff University(英国)
• [雑誌論文] Fabrication of three-layer silicon antireflection structures in200?450??GHz using deep reactive ion etching (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Hayashi Tasuku、Shohmitsu Yoshinori、Nitta Tom、Matsuo Hiroshi、Sekimoto Yutato
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 60 号: 33 ページ: 10462-10462
  • DOI: 10.1364/ao.441969
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GroundBIRD: A CMB Polarization Experiment with MKID Arrays (2020)
  • 著者名/発表者名: Lee K., Choi J., Genova-Santos R. T., Hattori M., Hazumi M., Honda S., et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 200 号: 5-6 ページ: 384-391
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02511-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Updated Design of the CMB Polarization Experiment Satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Hazumi, M, ..., H. Ishino, ..., M. Tsujimoto, ..., et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 号: 3-4 ページ: 1107-1117
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02329-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD Cryogenic Chain: 100 mK Cooling with Mechanical Coolers and ADRs (2020)
  • 著者名/発表者名: Duval Jean-Marc、Prouve Thomas、Shirron Peter、Shinozaki Keisuke、Sekimoto Yutaro、Hasebe Takashi、Vermeulen Gerard、Andre Jerome、Hazumi Masashi、Montier Ludovic、Mot Baptiste
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 号: 3-4 ページ: 730-736
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02371-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Multi-Layer Anti-Reflection Structures for Millimeter-Wave Silicon Optics Using Deep Reactive Ion Etching Process (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Hayashi Tasuku、Takakura Hayato、Sekimoto Yutaro、Ishikawa Kumi、Shohmitsu Yoshinori、Noda Kazuhusa、Saeki Satoshi、Ezoe Yuichiro、Nitta Tom
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 号: 1-2 ページ: 339-347
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02286-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Resonance Spectra of Coplanar Waveguide MKIDs Obtained Using Frequency Sweeping Scheme (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nagai, Y. Murayama, T. Nitta, H. Kiuchi, Y. Sekimoto, H. Matsuo, W. Shan, M. Naruse & T. Noguchi
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 号: 1-2 ページ: 250-257
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02262-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Overview of the medium and high frequency telescopes of the LiteBIRD space mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Montier Ludovic、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11443 ページ: 250-250
  • DOI: 10.1117/12.2562243
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD satellite: JAXA's new strategic L-class mission for all-sky surveys of cosmic microwave background polarization (2020)
  • 著者名/発表者名: Hazumi Masashi、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11443 ページ: 249-249
  • DOI: 10.1117/12.2563050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Concept design of low frequency telescope for CMB B-mode polarization satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekimoto Yutaro, et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11453 ページ: 37-37
  • DOI: 10.1117/12.2561841
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Far-Sidelobe Antenna Pattern Measurement of LiteBIRD Low Frequency Telescope in 1/4 Scale (2019)
  • 著者名/発表者名: Takakura Hayato、Sekimoto Yutaro、Inatani Junji、Kashima Shingo、Imada Hiroaki、Hasebe Takashi、Kaga Toru、Takeda Yoichi、Okada Norio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 巻: 9 号: 6 ページ: 598-605
  • DOI: 10.1109/tthz.2019.2937497
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of cryogenic architecture for LiteBIRD satellite using radiative cooling (2019)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Sekimoto Yutaro、Dotani Tadayasu、Mitsuda Kazuhisa、Shinozaki Keisuke、Yoshida Seiji
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 5 号: 04 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1117/1.jatis.5.4.044002
  • 査読あり
• [雑誌論文] LiteBIRD: A Satellite for the Studies of B-Mode Polarization and Inflation from Cosmic Background Radiation Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Hazumi M.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 194 号: 5-6 ページ: 443-452
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02150-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Concept design of the LiteBIRD satellite for CMB B-mode polarization (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekimoto Yutaro et al.
  • 雑誌名: Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng. 巻: 10698 ページ: 68-68
  • DOI: 10.1117/12.2313432
  • 国際共著
• [雑誌論文] The optical design and physical optics analysis of a cross-Dragonian telescope for LiteBIRD (2018)
  • 著者名/発表者名: Dotani Tadayasu、Hasebe Takashi、Hazumi Masashi、Inatani Junji、Ishino Hirokazu、Kashima Shingo、Katayama Nobuhiko、Kimura Kimihiro、Matsumura Tomotake、Nagata Ryo、Sekimoto Yutaro、Sugai Hajime、Suzuki Aritoki、Utsunomiya Shin、Imada Hiroaki
  • 雑誌名: Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng. 巻: 10698 ページ: 157-157
  • DOI: 10.1117/12.2312185
  • 国際共著
• [雑誌論文] Thermal design utilizing radiative cooling for the payload module of LiteBIRD (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasebe Takashi、Kashima Shingo、Uozumi Satoru、Ishino Hirokazu、Utsunomiya Shin、Noda Hirofumi、Mitsuda Kazuhisa、Sekimoto Yutaro、Dotani Tadayasu、Matsumura Tomotake、Sugai Hajime、Tsujimoto Masahiro、Imada Hiroaki、Hazumi Masashi
  • 雑誌名: Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng. 巻: 10698 ページ: 1069864-1069864
  • DOI: 10.1117/12.2313034
  • 国際共著
• [雑誌論文] Current design of the electrical architecture for the payload module of LiteBIRD (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsujimoto Masahiro、Nishino Haruki、Sekimoto Yutaro、Hazumi Masashi、Dotani Tadayasu、Ishino Hirokazu、Kibayashi Atsuko、Sakurai Yuki、Matsumura Tomotake、Dobbs Matt、Cliche Jean-Francois、Smecher Graeme、Suzuki Aritoki、Lee Adrian T.、Arnold Kam、Montier Ludovic、Mot Baptiste、Signorelli Giovanni、de Bernardis Paolo
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 10698 ページ: 1069847-1069847
  • DOI: 10.1117/12.2311579
  • 国際共著
• [雑誌論文] Design, Fabrication and Measurement of Pyramid-Type Antireflective Structures on Columnar Crystal Silicon Lens for Millimeter-Wave Astronomy (2018)
  • 著者名/発表者名: Nitta T.、Sekimoto Y.、Hasebe T.、Noda K.、Sekiguchi S.、Nagai M.、Hattori S.、Murayama Y.、Matsuo H.、Dominjon A.、Shan W.、Naruse M.、Kuno N.、Nakai N.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 976-983
  • DOI: 10.1007/s10909-018-2047-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GroundBIRD: Observation of CMB Polarization with a Rapid Scanning and MKIDs (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagasaki T. et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 1066-1074
  • DOI: 10.1007/s10909-018-2077-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The LiteBIRD Satellite Mission: Sub-Kelvin Instrument (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki A. et al. Tsujimoto, M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 1048-1056
  • DOI: 10.1007/s10909-018-1947-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Concept Study of Optical Configurations for High-Frequency Telescope for LiteBIRD (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasebe T. et al. Tsujimoto, M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 841-850
  • DOI: 10.1007/s10909-018-1915-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of Characteristics of Al MKID Resonators (2018)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Takashi、Dominjon A.、Sekimoto Yutaro
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 28 号: 4 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/tasc.2018.2809615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Broadband Pillar-Type Antireflective Subwavelength Structures for Silicon and Alumina (2017)
  • 著者名/発表者名: Nitta Tom、Sekimoto Yutaro、Noda Kazufusa、Sekiguchi Shigeyuki、Shu Shibo、Matsuo Hiroshi、Dominjon Agnes、Naruse Masato、Kuno Nario、Nakai Naomasa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 巻: 7 号: 3 ページ: 295-301
  • DOI: 10.1109/tthz.2017.2692045
  • 査読あり
• [学会発表] LiteBIRD低周波望遠鏡スケールモデルの広視野偏光角測定の高精度化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高倉隼人, 関本裕太郎, 中野遼, 稲谷順司, 鹿島伸悟, 杉本正宏
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] CMB偏光観測衛星LiteBIRDのミッション部の極低温熱設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小田切公秀, 西城大, 篠崎慶亮, 杉本諒, 小川博之, 松田フレドリック, 小栗秀悟, 関本裕太郎, 堂谷忠靖, 一色雅仁, 吉田誠至
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] LiteBIRD leading role of JAXA (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Sekimoto
  • 学会等名: LiteBIRD kick-off symposium
  • 国際学会
• [学会発表] CMB 偏光観測衛星LiteBIRD ミッション定義フェーズ III (2019)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 日本天文学会 2019年秋季年会
• [学会発表] CMB偏光観測衛星 LiteBIRD 極低温広視野望遠鏡の概念設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 極低温ミリ波観測システムで探るビッグバン以前の宇宙 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 超伝導科学技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測衛星LiteBIRDの検証計画 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 宇宙科学技術連合
• [学会発表] CMB偏光観測衛星LiteBIRD概念設計 II (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] CMB偏光観測衛星 LiteBIRD概念設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] 極低温ミリ波観測システムで探るビッグバン以前の宇宙 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 日本未踏学会
• [学会発表] CMB 偏光観測衛星 LiteBIRD概念設計インフレーション起源の原始重力波の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 関本裕太郎
  • 学会等名: 宇宙科学シンポジウム
• [備考] 宇宙科学研究所
  • URL: http://www.isas.jaxa.jp