JAXA 宇宙科学研究本部第 14 回月例講演会

世界の X 線天文衛星とデータアーカイブス

宇宙科学情報解析センター海老沢　研

世界中の誰でも無料で利用し、それから得られた成果を発表できる衛星データベースデータは半永久的に保存される

天文衛星を上げるのは…データを取得するため

データを取得するのは…それを使って研究するため

衛星データとそれを使って研究できる環境を半永久的に管理しておくのはアタリマエのこと！

衛星の寿命は有限だがデータアーカイブスは無限しかし過去には衛星データアーカイブスは軽視されて

いた現在では各 X 線天文衛星が

アーカイブスセンターを持っている

データアーカイブスとは？

Chandra データセンター（アメリカ）http://cxc.harvard.edu

Data Archives and Transmission System（宇宙研） http://darts.isas.jaxa.jp

INTEGRAL データセンター（スイス）http://isdc.unige.ch

HEASARC （アメリカ）http://heasarc.gsfc.nasa.gov

XMM-Newton データセンター（スペイン）http://xmm.vilspa.esa.es

BeppoSAX データセンター（イタリア） http://bepposax.gsfc.nasa.gov/bepposax/

1992

2001

2004

2005

1962

1987

私の歩んできた道

今日の話の内容• 1962 年から 2005 年まで

– X 線天文学の歴史• 誕生から最先端まで

– X 線天文データアーカイブスの歴史– 私のやってきた研究（ 1987 年以降）

• 将来に向けて

1962 年• 大気が宇宙からの X 線を吸収する

– そのお陰で地球上に生命が存在している…– 大気圏外に出ないと宇宙からの X 線は観測できない– 人類誕生以来 1962 年まで X 線を出す天体の存在は

知られていなかった• 1962 年 6 月 18 日

– ジャコーニら（ 200 ２年ノーベル物理学賞受賞）が放射線検出装置を搭載したロケットを打ち上げ

– 月による太陽からの X 線反射の観測が目的– 全天で一番明るい X 線源 Sco X-1 を偶然発見– X 線天文学の誕生

1960 年代• ロケットと気球による X 線観測の時代• すだれコリメーターの発明（小田稔）

– X 線源の位置が正確に決まるようになった– X 線星の正体が徐々に明らかになっていった– 白色矮星、中性子星、ブラックホールに物が落ちるときの重力

エネルギーが X 線に変換される• ScoX-1 は中性子星• Cyg X-1 はブラックホール

• 宇宙開発の進歩– 1957 年、最初の人工衛星スプートニク打ち上げ– 1958 年、アメリカのエクスプローラ 1 号– 各国から人工衛星が次々と打ち上げられる（おおすみ 1970 年）– スペースからの宇宙観測の黎明期

1970 年 Uhuru （アメリカ）打ち上げ

– すだれコリメーターを搭載して全天観測– 339 個の X 線天体を発見– 本格的な X 線天文学の幕開け

ほとんどが銀河系（天の川）内の中性子星かブラックホール銀河、活動的銀河中心核、銀河団からの X 線の発見

1970 年代• 多くの X 線天文衛星が打ち上げられた

– Copernicus, Ariel-5, ANS, SAS-3,OSO-7,OSO-8,Cos-b,HEAO1• Uhuru が発見した天体をさらに詳細に研究• 「はくちょう」（ 1979 年）

– 日本で最初の X 線天文衛星– すだれコリメーターによる X 線バースターの観測– 明るい X 線源しか観測できなかった

• Einstein Observatory （アメリカ、 1979 年）– X 線鏡を積んだ初めての結像衛星– 飛躍的に感度が向上– カタログデータ、イメージの CD-ROM を作って無料で世界中に配布– 本格的なデータアーカイブスの誕生– 現在でもそのデータが使える

1970 年代までの X 線天文学の研究手法

• 天文学と言うよりも「実験物理学」• 検出器を作ったチームがデータを保有してい

た– 検出器の開発が大きなウェイト– 検出器を知らないと解析が出来ない

• 「ゲストオブザーバー」は存在しない• 特殊なデータフォーマット• 未熟なコンピューターとソフトウェア

– データアーカイブスは存在しえなかった

1980 年代• 「てんま」（ 1983 年）

– エネルギー分解能にすぐれた観測– データアーカイブスは存在しない

• EXOSAT （ ESA,1983 年）– 観測時間を広く開放（ヨーロッパに限る）

• 公募制の採用– 「ゲストオブザーバー 」の誕生

• 衛星や検出器の開発に参加せず、データ解析を行って論文を書く

– すぐれたアーカイブスシステム• HEASARC の基盤

– 汎用性のあるソフトウェアの開発• 一部は改良を重ね今でも使われている

1980 年代後半• アメリカ、ヨーロッパの X 線天文学は冬の時代• Mir-Kvant( ソ連、 1987 年）

– ソ連以外の研究者が使うことはほとんど不可能• 「ぎんが」（ 1987 年）

– 大面積の比例計数管– 高い感度、早い時間分解能– 精度の高い機器較正– 日本の衛星では初めてプロポーザル制を採用– アメリカ、ヨーロッパに観測時間を開放

• 450 本以上の投稿論文が出版– 2000 年以降アーカイブスが完成

• まだまだ論文が出つつある

ぎんがアーカイブス• 1991 年に寿命を終えた後、データが忘れ去られる危

機– 日本の X 線チームは、あすか、 Astro-E1 に専念– Unix の普及、大型計算機は使われなくなってきた

• 2000 年よりアーカイブス開発を開始– Astro-E1失敗により時間ができた– NASA のグラントを得た

• 宇宙研からの正式なサポートはなし• 元ぎんがチームメンバーがボランティアとして開発

– メインフレーム計算機から Unix に移植• データフォーマットを FITS に変更• ソフトウェアの移植

– 2005 年 4 月に完了– 以前は宇宙研のメインフレームでしかできなかったデータ

解析が世界中の誰にでもできる– まだ論文になっていない貴重なデータがたくさんある

複数の衛星を使った研究• 「ぎんが」、 ROSAT （ 1990

年）、 CGRO （ 1991 年）の頃からポピュラーになってきた

• 複数の衛星を使って広い波長域をカバーする

• データをシェアすることのメリットの認識• しかし「他所の」衛星データを使うのは簡単ではなかった

ROSAT

ぎんが

ぎんが CGRO

エネルギースペクトルの精密なモデル化

1990 年代• ROSAT(ドイツ、 1990 年 )

– Einstein 衛星よりも高感度–初期にはデータフォーマットの混乱

• 複数のフォーマットが並立していた– 今では優れたデータアーカイブスができてい

る• CGRO( アメリカ、 199１年）

– 最初の本格的なガンマ線天文台– 大体のデータはアーカイブス化されている

1990 年代• あすか（ 1993 年）

– Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics (ASCA)– 最初の日米共同 X 線ミッション– 日本の衛星にアメリカ製のミラーと CCD を搭載– データアーカイブス、ユーザーサポートはアメリカが担当

• ASCA ゲストオブザーバーファシリティー（私の就職先 [1992 年 ] ）• 「非常に」使いやすい解析システム、アーカイブスの開発

– FITS フォーマットを採用した最初の衛星• その後の衛星は、ほぼ ASCA のフォーマットを踏襲

– データの占有権をはっきりと規定• アメリカのデータは 1 年、日本のデータは 1 年半後にアーカイブスに

いれて公開– 1400 本以上の投稿論文が出版されている

あすかアーカイブス成功の背景：FITS (Flexible Image Transportation System) の普及

• 1980 年代後半より可視光の分野で使われ始めた• 異なる天文台で同じフォーマットを使い、データの入出力の標準化を図る– 大成功。他の分野では例を見ない？– 天文データは標準化しやすい

• 画像は二次元データ• X 線イベントは、時刻、位置、エネルギーの情報だけ

– データの利用に金銭的利害が絡まない• どんなコンピューターでも読み書きできる

– 汎用ツールの開発が容易• 光学天文学で始まり、他の波長にも普及• X 線天文学では 1990 年代に普及

– 全面的に採用したのは「あすか」が初めて– 実質的に「あすか」が X 線天文用 FITS フォーマットを規定した

あすかアーカイブス成功の背景：HEASARC の設立（ 1990 年）

• High Energy Astrophysics Science Archive Research Center＠ NASA/GSFC

• 世界中の高エネルギー天文衛星データのアーカイブスセンター

• X 線天文学データの FITSフォーマットの標準化– イベントデータ– キャリブレーションデータ

• FITSファイルにアクセスするためのライブラリの開発– cfitsio – デファクトスタンダード

• 汎用データ解析ツールの開発– ftools, xanadu– 同じソフトウェアが複数の衛星に使える

「あすか」以降の衛星のデータ公開ポリシー

• 初期データは衛星、検出器チームに帰属 一定期間の後にアーカイブス化されて公開

• オープンタイムは世界に公開 年に一回 Announce of Opportunities (AO) のアナウンス ゲストオブザーバーは厳しい競争を経て観測時間を得る データは一定期間（通常は一年）の後にアーカイブス化さ

れる

• Target　Of　Opportunity(TOO) データは直ちに公開

• 衛星によっては、ほぼすべてのデータが最初から公開 Swift 衛星のガンマ線バーストデータなど

1990 年代後半• XTE （ 1995 年、アメリカ）

– 「ぎんが」以上に大面積の比例計数管– 機動力に富む観測、オープンなポリシー– 全天モニターデータはただちに公開– TOO データもただちに公開

• BeppoSAX(1996 年、イタリア、オランダ）– 複数の検出器で広いエネルギー範囲（ 0.1-300keV ）

をカバー– HEASARC の資産をフルに活用– HEASARC の枠組みでデータとソフトウェアを公開

2000 年代• X 線天文衛星とアーカイブスの黄金期

– Chandra( アメリカ、 1999 年）• 史上最高（今後 10 年以上？）の位置分解能（ ~0.6秒角）と感度

– XMM-Newton(ESA,1999 年）• Chandra をはるかにしのぐ有効面積

– INTEGRAL （ ESA,2002 年）• 20keV 以上でのイメージング

– HETE2( アメリカ、 2001 年）• ガンマ線バーストミッション

– Swift( アメリカ、 2004 年）• ガンマ線バーストミッション、すべてのデータはただちに公開

– すざく（ 2005 年）• 史上初の X 線マイクロカロリメーター搭載• 鉄輝線領域で過去最高のエネルギー分解能を実現（するはずだった）• He をすべて失い観測不可能に（世界中の天文学者が泣いている！）• ２０ keV～ 300 keV で過去最高の感度• 低エネルギー側で Chandra, XMM をしのぐエネルギー分解能

アーカイブスを使った研究の例• XMM-Newton アーカイブスを使った

Ultra-luminous X-ray Source M82 X-1 の研究

• 「中くらいのブラックホールは存在するか？」

約３０太陽質量のブラックホールの周りの降着円盤モデルフィット

将来に向けて• フリーソフトウェア

– アーカイブスを使った天文研究の発展はフリーソフトのおかげ

– Linux (オペレーションシステム ),Apache(Webサーバー） ,gnu 等

– 今後ますますフリーソフトウェアは増えていくだろう– ソフトウェアのベンダはライセンスでなく知恵を売るよ

うになる• アーカイバルデータ

– 天文衛星データベースはアタリマエの存在になりつつある

– データ量が膨大。世界中の研究者を合わせても解析しきれない！

– 優先期間は短縮の方向に向かう？– 研究者はデータを取得することでなく、大量のデータを

使いこなすスキルが必要になってくる

将来に向けて• 宇宙科学と国際社会

– ESA の目的のひとつ：非軍事に限った宇宙開発を国際協力によって行う

– 宇宙の軍事利用をやりにくくする。相互信頼醸成– 衛星やハードウェアの国際共同開発は簡単ではない

• 科学衛星データアーカイブスの役割– データの共有、交換は技術的に簡単– 金銭的、政治的な利害や倫理的価値判断が絡まないからこそ、天

文衛星データの公開ができる• 地上観測データ、原子核データ、生命科学データはそうもいかない

– できる国が衛星を上げてデータアーカイブスを作り、広く公開する。世界中の研究者は必要に応じてデータを得て研究を行う。

• 願わくは、宇宙の研究が世界をひとつに結びつけ、この世界から少しでも争いを減らす力になるように…