研究室情報

目次

• 目次

• 研究内容

  • 高エネルギー天体の観測的研究
  • 2023年度打ち上げ予定のＸ線天文衛星 XRISM に搭載するＸ線CCDの開発
  • 関連リンク
  • 次世代Ｘ線天文衛星 FORCE の推進、および、FORCE に搭載するＸ線 SOI-CMOS 検出器の開発
  • 関連リンク
• 研究風景
• 年間スケジュール

• メンバー

  • 2023年4月現在

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研究内容

高エネルギー天体の観測的研究

私たちの目に見える光(可視光線)は、宇宙を観測する手段の一つにすぎません。その可視光に加えて、皆さんのスマートフォンに情報を運ぶ電波、ヒーターから出て皆さんを温めてくれる赤外線、日焼けの原因にもなる紫外線、レントゲン撮影で使われるＸ線、これらは全て電磁波の一種です。全て同じ速さ(それこそ光速)で進みます。違いはこの電磁波の振動の度合にあります。電波・赤外線・可視光線・紫外線・Ｘ線の順番に激しく振動していきます。そして、この振動が激しいほど、その電磁波のエネルギーが高くなります。現在、人類はこの目に見えない光(可視光線以外の電磁波)も使って、宇宙を観測しています。

本研究室では、その中でもＸ線での観測を通して、高エネルギー天体の観測的研究をおこなっています。物質はその温度に比例して電磁波を出します。表面温度が6,000度の太陽からは可視光線がでています。Ｘ線は可視光線に比べておよそ1,000倍エネルギーの高い電磁波です。すると、Ｘ線を出すような物質はおよそ 6,000,000 度=6百万度近い超高温物質から出ることになります。つまり、宇宙をＸ線で観測して、ある天体がＸ線で輝いているとすると、そこには百万度から一千万度近い超高温物質が存在していることを意味します。

一方で、皆さんが病院でレントゲン写真を取るときに、そこに百万度の物質があるわけではありません(あったら周りが溶けて、たいへんだ…)。百万度の物質からＸ線が出るのは、その百万度の物質を構成する一つ一つの粒子が非常に高いエネルギーを持っているからです。病院や我々の実験室にあるようなＸ線発生装置では、極一部の粒子をその非常に高いエネルギーまで加速させます。宇宙の至るところでも、この加速とよばれる現象がおこっており、現在の人類の最高の技術で加速できるエネルギーを遥かに凌駕するエネルギーを持つ粒子も存在しています。宇宙のＸ線観測ではそんな現場にも迫ることができます。

以下の図は、Ｘ線天文衛星である領域を観測したときの画像です。これはアーティストの書いた想像図ではありません。実際に宇宙にはこのような天体が存在するのです。この驚きの姿を見せる高エネルギー天体の観測的研究を我々はおこなっています。

(牡牛座の角のあたりにある「かにパルサー星雲」のＸ線画像。中心にある回転する中性子星であるパルサーから放出された高エネルギーの電子陽電子プラズマの雲が磁場と絡みあいＸ線を放出する。まるでコマのような複雑な形をしている。この「かにパルサー星雲」は宇宙の巨大加速器であり、人類が持つ最高の加速器の性能を遥かに凌ぐ。 Image courtesy by NASA)

(帆座にある「ベラ超新星残骸」のＸ線画像。これは一万年以上前に爆発した星の後であり、花火のような形状をしている。星の爆発時には数千km/sの速度で、星を構成していた物質が拡散し、それが周囲の物質と衝突することで一千万度近い高温になる。Ｘ線の観測からその爆発の様子や、星の内部で合成された物質の種類がわかる。 Image courtesy by ESA)

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2023年度打ち上げ予定のＸ線天文衛星 XRISM に搭載するＸ線CCDの開発

宇宙に存在する高エネルギー天体からのＸ線を地上で捉えることはできません。我々の身体を突き抜けるほどエネルギーの高いＸ線ですが、実は地球の大気に吸収され地上には屆きません。つまり、地上の望遠鏡で高エネルギー天体のＸ線観測はできないのです。よって、我々は人工衛星にＸ線検出器を搭載して、地球の外から宇宙を観測します。いわば宇宙天文台です。

本研究室では、大阪大学・京都大学・宇宙科学研究所等と協力して、2023年度打ち上げ予定のＸ線天文衛星 XRISM に搭載するＸ線CCDの開発をおこなっています。以下の図は、その XRISM の完成予想図と、実際に XRISM に搭載するＸ線CCDの写真です。CCD とは Charge-Coupled Device の略で、皆さんがお持ちのデジカメにも使われています。ただし、この CCD は透過力の強いＸ線を捉えるために、非常に厚く作ってあります。写真でみるようにそのＸ線 CCD 素子を4枚田の字に並べて、6cm×6cm の大面積を誇る「Ｘ線デジカメ」となります。

我々が開発したこのＸ線CCDが高エネルギーの宇宙の姿を捉えるまで、もうすぐです。

(Ｘ線分光撮像衛星 XRISM)

(Ｘ線分光撮像衛星 XRISM に搭載するフライト用Ｘ線 CCD 素子)

関連リンク

• Ｘ線分光撮像衛星 XRISM ポータルサイト

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次世代Ｘ線天文衛星 FORCE の推進、および、FORCE に搭載するＸ線 SOI-CMOS 検出器の開発

XRISM に続くＸ線天文衛星として、FORCE 計画を推進中です。FORCE とは、Focusing On Relativistic universe and Cosmic Evolution の略で、これまでの観測では明らかになっていない高エネルギー天体における粒子加速とブラックホールの進化の解明を目的とした衛星計画です。XRISM よりもさらにエネルギーの高いＸ線に感度を持つ衛星であり、XRISM には見えない宇宙を観測します。

本研究室では、高エネルギー加速器研究機構・京都大学等と協力して、その FORCE 衛星に搭載する新しいＸ線 SOI-CMOS 検出器を開発しています。前述の XRISM 衛星に搭載するＸ線 CCD のところで「CCD がデジカメに使われている」と言いましたが、実は現在のデジカメのほとんどが CCD ではなく CMOS をセンサとして使用しています。以前は確かに CCD が主流でしたが、今は CMOS が主流です。Ｘ線 CMOS 検出器は、Ｘ線 CCD の良さはそのままに、高速撮像が可能です。また、我々が開発している SOI-CMOS では素子をこれまでよりも厚くすることも可能で、より広いＸ線帯域に感度を持ちます。

この新しいＸ線 SOI-CMOS 検出器を武器に、次世代Ｘ線天文衛星 FORCE で、これまで未探索の宇宙の姿に迫ります。

(Ｘ線天文衛星 FORCE)

(FORCE 衛星搭載に向けて開発中のＸ線 SOI-CMOS 検出器)

関連リンク

• 第一回 missing black hole ワークショップ(2017)
• 高感度・広帯域Ｘ線観測で探るブラックホール降着現象の物理(2018)
• 高感度・広帯域Ｘ線天文衛星FORCEで探る高エネルギー宇宙(2020)

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研究風景

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年間スケジュール

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メンバー

2023年4月現在

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