Sample Company

GRAINE

宇宙ガンマ線精密観測実験GRAINE

 私たちは、最新の原子核乾板技術を利用したエマルション望遠鏡を開発する事で、
次世代のガンマ線天文学を刷新するGRAINE計画 (Gamma- Ray Astro- Imager with Nuclear Emulsion)
を推進しています。
◆CONTENTS◆
1. 宇宙ガンマ線の観測
2. 最新の原子核乾板
3. 次世代ガンマ線観測装置エマルション望遠鏡
4. GRAINE計画


1. 宇宙ガンマ線の観測

観測する波長によって変わる宇宙の姿

 私たちが夜空を見上げた時に目に入る無数の星々は、自ら光を放って輝いてる恒星です。例えば太陽は、私たちにとってもっともなじみのある恒星のひとつです。
 星が発している光は、私たちの目でみることの出来る「可視光」に限ったことではなく、 とても広い波長域に渡って輝いています。異なる波長で観測すると、星は全く違った姿を見せ、新しい性質も明らかになります。様々な波長域での宇宙の観測は、多種多様な宇宙をより詳しく理解するために非常に重要なのです。

X線・ガンマ線で輝く高エネルギー天体

 可視光よりも波長が短い(エネルギーが高い)電磁波であるX線やガンマ線を放射する星も存在します。 それらは、高エネルギー天体と呼ばれます。
 1960年代以降、数々の衛星実験や気球実験によって高エネルギー天体は観測され、 その性質の理解が進められてきました。特に日本のX線観測は常に世界をリードし、X線天文学の発展に大きく貢献しています。一方で、ガンマ線領域での観測は、X線に比べ随分と遅れました。ガンマ線の精密な測定技術は非常に難しく、90年代においてこれまで発見されてきたX線天体の数が10000個以上だったのに対し、ガンマ線天体は260個でした。


フェルミ衛星によって切り開かれたガンマ線天文学

 その転機が訪れたのが2008年。NASAを中心とする国際プロジェクトとしてフェルミ宇宙望遠鏡衛星(フェルミ衛星)が打ち上げられました。フェルミ衛星は、4年間の観測で3000以上のガンマ線を放射する天体を発見し、宇宙ガンマ線の観測をガンマ線天文学と呼べるまでに発展させました。今はまさに、ガンマ線で観る宇宙の姿が少しずつ明らかになりつつある時代なのです。

ガンマ線天文学が直面した課題

  フェルミ衛星によって多くの成果が挙げられ大きく進歩したガンマ線観測ですが、一方でいくつかの解決すべき課題も浮上しています。

♠ 未同定天体
 フェルミ衛星はこれまでに多くのガンマ線天体を発見しましたが、そのうちの約30%は他の波長では見つかっていない"未同定天体"に分類されています。未同定天体の多くは宇宙の中で天体が密集し、天体由来ではないガンマ線を多く放射している領域に分布しています。このため未同定天体が本当にガンマ線だけを放射する新天体なのか、それとも複数の天体を分離できていないだけなのか、または実際には天体はなにもないのかを判断するにはもっと性能のよい望遠鏡で宇宙を観測することが重要です。
♠ 天体毎の詳細観測
 フェルミ衛星のガンマ線に対する角度分解能(望遠鏡の性能)は人間の視力に直すと0.2ほどになります。視力0.2の人が月を眺めても月のウサギは見えません。フェルミ衛星がみた宇宙の様子もぼや~っとにじんでいて、ひとつひとつの天体の細かな構造を知ることはできません。しかし、他の波長での観測結果を比較しようと思うと、細かな構造を捉える必要が出てきます。
♠ 偏光観測
 フェルミ衛星の課題の一つに"ガンマ線の偏光観測"があります。一般的に光というと偏光していない光をさします。光は電場と磁場の変化によって伝えられる波の一種ですが、通常電場の方向は光子毎に揃っていません。これが偏光していない光です。一方で電場の方向が揃った光もあり、偏光していると言います。偏光している光がでてくる場所では強い磁場が存在していることが期待されます。偏光してない光をいくら観測しても磁場について知ることはできないので、偏光している光を観測することは世界中から期待されている課題の一つになっています。


2. 最新の原子核乾板

現代に蘇った原子核乾板

 原子核乾板は電気を帯びた粒子の通り道(飛跡)を世界で最も細かく観測できる検出器です。原子核乾板は古来から利用されてきて、宇宙線や素粒子の分野で多くの科学的成果を挙げてきました。しかし、昔の写真技術を応用した原子核乾板は光に当ててしまうと感光して使えなくなってしまいます。また、電気を帯びた粒子の飛跡は顕微鏡で観察する必要があり、解析には大変な労力を伴います。このような運用上・解析上の困難さのために原子核乾板は次第にエレクトロニクス検出器に遅れを取るようになりました。
 このように過去の検出器になるかと思われた原子核乾板ですが、名古屋大学を中心としたグループは原子核乾板のもつ圧倒的な飛跡の測定精度を生かすために数々の研究開発を進めてきました。特に原子核乾板に記録された飛跡を高速で読み出す装置が開発・改良され、解析にかかるコストを大幅に削減できるようになりました。これによって現在までにCHORUSやDONUT,OPERAのような大規模実験にも投入されるようになり、原子核乾板は現代に蘇ることに成功しました。

現像前後の原子核乾板

原子核乾板を開発する

 OPERA実験で使用されていた原子核乾板は富士フィルム社が開発・製造を行っていました。しかし、富士フィルム社の銀塩写真事業からの撤退を受け、原子核乾板を自作する必要が出てきました。このような状況を受け、名古屋大学では原子核乳剤を自分たちで設計・開発・製造を行うためのファシリティを導入しました。名古屋大学と共同で研究している私たちもこの原子核乳剤製造ファシリティを使用して原子核乾板を製造しています。原子核乳剤製造ファシリティをもつことで、原子核乳剤のデザインを自分たちでコントロールできるようになり、より実験に最適な原子核乾板を製造することが可能となりました。

乳剤製造装置

 製造したフィルムはそのままでは実験には使用できません。プラスチックでできた薄い基材(ベース)の上に乳剤を薄く延ばして、乾燥させることで原子核乾板が完成し実験に用いることができるようになります。


 ここまでの作業をすべて暗室で行うので、なかなか大変な作業です。

原子核乾板でガンマ線を観測する

 電気を帯びていないガンマ線自体は原子核乾板に飛跡を残しません。しかし、ガンマ線は物質と反応すると電子と陽電子(プラスの電気をもつ電子をようなもの)に変化します。この電子対の始まりを原子核乾板で精密に捉えることによってガンマ線の方向を精度よく測定することが可能となります。これによってガンマ線天文学が直面している課題も解決できるのでは!と期待されています。

対生成反応の顕微鏡画像


3. 次世代ガンマ線観測装置エマルション望遠鏡

私たちの研究グループでは、原子核乾板からなるエマルション望遠鏡を開発し、宇宙ガンマ線の精密観測・偏光観測を目指す気球実験を進めています。電気をもつ粒子の飛跡を高い精度で記録する特徴を活用することでエマルション望遠鏡はフェルミ衛星の100倍近くの性能を持つことが期待されます。

エマルション望遠鏡の概念図
エマルション望遠鏡はコンバーター、タイムスタンパー、カロリーメーター、姿勢モニターから構成されます。

♣コンバータ
 コンバーターは原子核乾板を100枚程度積み重ねた構造をしてます。コンバータに入射したガンマ線はコンバーター内で対生成反応を起こし、それによって生じた電子対がコンバータ内に飛跡を残します。私たちはコンバーター内の途中の1点から始まる2本の飛跡をヒントにガンマ線を探索し、コンバーターに対してガンマ線がどの方向からやってきたのかを決定します。

エマルション望遠鏡の角度分解能
♣タイムスタンパー(多段シフター)
 原子核乾板は写真フィルムなので、コンバーター内で分かるのはガンマ線の角度だけでやってきた時間はわかりません。しかし、ガンマ線が宇宙のどこからやってきたかを決めるためにはガンマ線がやってきた時間を決定する必要があります。そこで私たちが開発したのが"多段シフター"というタイムスタンプ機構です。多段シフターはGRAINEグループ博士研究員の高橋覚によって提案され、同じく博士研究員の六條宏紀によって実用化された全く新しい機構です。複数のステージをアナログ時計の針のように異なる周期で動かして時刻毎にバラバラなステージの位置関係を作ります。解析の際にはステージに貼付けた原子核乾板に残った飛跡の情報から飛跡記録時のステージの位置関係を再構成し時間を決定します。電力や検出器の重量などに制限のある気球実験を行う私たちにとって、"低消費電力・軽量・コンパクト・シンプル・Dead time free"など最適な特性を併せ持つタイムスタンプ手法です。

多段シフター
♣カロリーメーター
 カロリーメーターは電子のエネルギーを測定することで、親であるガンマ線のエネルギーを決定する役割を果たします。カロリーメーターは原子核乾板と金属板を交互に積み重ねた構造をしており、電磁シャワーを引き起こすことでエネルギーを測定します。
♣姿勢モニター(スターカメラ)
 コンバーターではガンマ線のコンバータに対する角度が決まります。しかし、コンバーターを始めとするエマルション望遠鏡全体は気球から吊り下げられており、回転や振り子運動によって宇宙に対する向きが時間とともに変わってしまいます。そこでエマルション望遠鏡が宇宙に対してどちらを向いているかを決める役割を担うのが、姿勢モニターです。姿勢モニターは赤外に感度を持つCCDカメラと青色をシャットアウトするフィルターなどからなります。姿勢モニターは星空を観測し、見えている星の組み合わせから宇宙のどちらを向いているかを時間毎に決定します。姿勢モニタが決定した姿勢情報とタイムスタンパーが決定した時間情報を合わせることで、コンバーターに入射したガンマ線が宇宙のどこからやってきたのかを決定することが可能となります。


4. GRAINE計画

 宇宙からのガンマ線は地球の周りの大気の影響によって地上には届きません。そのため私たちのグループではエマルション望遠鏡を科学観測用の大気球に搭載して地上37~40kmまで打ち上げます。この高度まで上がると大気の影響が小さくなって宇宙からのガンマ線を観測することができるようになるのです。ISAS/JAXAの大気球実験室協力のもと、日本での北海道大樹町を拠点とした実験、海外ではオーストラリアを拠点とした実験が行われています。

GRAINEが目指すサイエンス

 エマルション望遠鏡の強みは何と言っても原子核乾板の高位置分解能を活用したガンマ線の精密観測と偏光観測です。GRAINEは大面積望遠鏡で長時間フライトを行い、エマルション望遠鏡の強みを生かした観測を目指します。

♦銀河面の詳細観測・天体分離
 私たちが住んでいる地球は天の川銀河に属しています。銀河は多くの恒星や星間ガスなどの天体の集まりで、特に銀河の中心付近には多くの天体が密集しています。この領域をガンマ線で観測すると距離の近い複数の天体がにじんで、個々の天体をばらばらに観測できていない問題があります。そこで私たちはエマルション望遠鏡を用いて、銀河中心を高解像度観測し個々の天体を分離して観測することを目指しています。

♦空間構造をもつ天体の詳細観測
 同一天体を様々な波長の光で観測し、その結果を比較することで私たちはそれぞれの波長での観測だけでは得ることが出来ない情報を引き出すことができます。このような試みは解像度の優れた他の波長では行われており、様々な知見が得られています。しかし、GeV(=109eV;ev:電子に1Vをかけたときに電子が得るエネルギーの大きさ)領域のガンマ線観測は個々の天体の空間構造を精密に観測できるほどの解像度が得られておらず、実現されていません。そこで私たちは個々の天体について詳細な観測を行い、ガンマ線での空間構造を明らかにすることを目指します。

♦偏光観測
 先にも述べたように、GeV以上のエネルギーでは偏光観測が行われていません。ガンマ線での偏光を観測し、高エネルギー天体周辺での強磁場の構造を解明することもGRAINEの目的の一つです。私たちはSpring-8という加速器施設においミニチュアコンバーターに直線偏光したガンマ線ビームを照射する試験を行い、シミュレーション通り偏光を観測できることを確かめています。

♦突発現象の解明
 宇宙ではしばしば兆候エネルギー現象が突発的に発生します。これらの現象は短時間で収束してしまいます。エマルション望遠鏡の強みの一つである大面積観測によれば、短時間の突発現象であっても大統計を稼ぐことが可能で、突発現象の解明に貢献できると考えています。

北海道大樹町での原理実証試験

 GRAINEグループは2011年に北海道大樹町においてGRAINEファーストフライトを実施しました。6月8日に気球は無事放球され、地上36.2kmでの1.6時間の水平浮遊に成功しました。このフライトではコンバータ、タイムスタンパ、姿勢モニタが気球高度ので環境において正常に動作し、ガンマ線の天球に対する方向の決定を行えることを実証することを目的として行い、達成しました。また、宇宙由来のガンマ線を観測する際に邪魔者となる地球大気由来のガンマ線の強度を実測し、今後のフライトへのステップとしました。望遠鏡の口径面積と観測時間の拡大を進め、天体観測を行っていきます!
 写真はこちら(
その1, その2, その3)。

オーストラリア, アリススプリングスでの性能実証試験

 GRAINEグループは2015年にオーストラリアのアリススプリングスにおいて二度目のフライトを行いました。このフライトではガンマ線で最も明るく光っているヴェラパルサーという天体をエマルション望遠鏡で観測し、エマルション望遠鏡の性能を実証することを目的とします。ヴェラパルサーは地球から約1000光年離れた場所に位置する中性子星と呼ばれる天体です。中性子星は太陽よりも大質量の恒星が爆発した後に残る天体で、太陽ほどの質量を持ちながら半径は10kmほどという超高密度天体です。ヴェラパルサーは1秒間に約11回転という高速回転もしています。ガンマ線で観測するとほとんど点源のように見えることなどから、伝統的に新しいガンマ線望遠鏡の最初のターゲットに選ばれる天体です。
 私たちは4月からシドニー入りし、原子核乾板の最終準備を行いました。4月の中旬からはアリススプリングスで実際に気球に吊り下げるゴンドラにエマルション望遠鏡の要素を動作試験を行いながら取り付けていき、5月6日にフライトレディとなりました。5月12日午前6時33分(現地時刻)にアリススプリングスの基地から放球された気球は約2時間後に地上37kmに到達し、放球から14時間22分後の20時55分にロングリーチ基地から約130km離れた草原に観測機器を積んだゴンドラが着陸しました。着陸したゴンドラは翌日に無事回収されました。回収したフィルムはシドニー大学の一角を借りて約2週間かけて現像しました。現像したフィルムは日本に持ち帰り、解析を進めています。

ホームへ戻る
ページトップへ戻る