常深研究室(Ｘ線天文学グループ)

2016/01/12,19

林田 清

奈良 星のくに2014/07/24

これは何座？

写真：MPE提供

同じ星座です

写真：MPE提供

可視光 X線

オリオン座

月

シリウス

100

104

108

1012

1016

1020

1024

1028

1032

1036

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Blackbody Radiation

T=30KT=300KT=3000KT=30000KT=3x10^6KT=3x10^8K

Brig

htne

ss W

/m2 /s

tr/s/

m

Wavelength(m)

Ｘ線天体物理学＝“熱い”宇宙の探求

＊）全ての天体が黒体輻射を出しているわけではないですが、、、

波長(m) Ｘ線

可視光線

赤外線 電波紫外線

（X線天文学）

X線の空にうつっている大半がブラックホール

Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

ブラックホールの”想像図”

2006/01/15~17

2010/07/26~27 2010/08/30~31 2011/01/29~30

NGC4945銀河の新ブラックホール候補発見(2014卒研 by 久留飛）

白:NGC 4945中心核

緑:新X線源

2010/07/9~112010/07/4~52005/08/22~23

NGC 4945中心核

新X線源半径：約1.1kpc

詳しい解析により新たなブラックホール候補天体と結論

超新星残骸のＸ線観測300年前に爆発した超新星の残骸Cas Aの例

→爆発物(=星の中身）の元素組成の測定、爆発の異方性の発見

Chandra衛星による観測NASA/GSFC/U.Hwang et al.

X線エネルギー（keV)

MgNe

Fe

SiS

OAr

Ca

Ni

１

X線強度

(co

un

ts/s

ec/k

eV)

2 5 10

Cr

すざく衛星による観測Yan et al., 2013

X線スペクトル

約4000万度のプラズマからの放射各元素の特性X線が観測されている

全エネルギー範囲 Si

Ca Fe

X線イメージ

銀河団

A1689銀河団 X-ray: NASA/CXC/MIT/E.-H Peng et al; Optical: NASA/STScI

210万光年

可視光のイメージ数100の銀河の集団

X線のイメージ全体を包む数千万度の高温ガス

210万光年

高温ガスを束縛するためにはその約5-10倍の質量の物質が必要→暗黒物質(銀河の質量は高温ガスの数分の１）

銀河団高温ガスの運動のはじめての検出

A2256銀河団のX線画像

視線方向速度差= 1590+700-750km/s

Main ピークSub ピーク

Tamura, Hayashida, Ueda et al., 2011

X線スペクトルから決めた後退速度 (90%CL)

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075Main Cluster

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075Sub Cluster

SubMain

Optical galaxies

(Berrington et al., 2002)

MainX線スペクトル

SubX線スペクトル

Fe輝線

後退速度/光速

衝突の証拠

ドップラー

宇宙からのＸ線は地球大気で吸収されてしまう→人工衛星に検出器を搭載し観測することが必要

Hakucho(1979)

Tenma(1983)

ASCA(1993)

Ginga(1987)

すざく (２００５-2015)

MAXI (2009-)

国際宇宙ステーション日本実験棟”きぼう”

全天探査

指向観測

写真はJAXA提供

Flux(erg/cm

2/sec)

TIMEsinceBATTriggerTime(sec)

SSC(0.7-7keV)

XRT(0.3-10keV)

ガンマ線バーストGRB100418A

steep decayα2〜 -3

after glowα3〜 -1

・2010.4.18 21:10:08:04 (Swift/BATによるtrigger time)・(Ra,Dec)=(256.36313,11.46140)・z = 0.6235(Marshall et al 2011)

Trigger84s後からXRT(3-10keV)で観測開始。SSC(0.7-7keV)はTrigger直後から約30秒間観測していた。

MAXI/SSCが偶然観測した爆発直後のガンマ線バースト

搭載装置を自分らの手で開発（設計、試作、試験、較正）常深研が中心になって開発したX線CCDカメラ: すざくXIS, MAXI SSC, そしてASTRO-H SXIも

阪大 京大 ISAS/JAXA

TKSC/JAXATKSC/JAXA

阪大

阪大

Spring8

阪大

TKSC/JAXA

KEK-PF

ASTRO-H 2016/2/12打ち上げ2016年は待望の観測データが得られる年

• 4種類の検出器を搭載。

• １台が常深研中心に開発したCCDカメラSXI。過去最大の視野38分角で撮像。

• 別の１台がマイクロカロリメータ。エネルギー分解能がCCDの30倍。

• 高温ガスの~100km/sの運動• 銀河団における乱流→暗黒物質質量の正確な測定

• 超新星残骸中→爆発機構、宇宙線加速機構

• 微少元素の検出• WHIMの検出

• ブラックホールの時空• 。。。。。。。

イラスト写真JAXA提供

14m

2.7t

2016年のB4は選ばれし人

8m

Number of people who participated in the test campaign

SXS 38 (staff 35, grad. student 3)

SXI 15 (staff 9, grad. student 6)HXI 20 (staff 10, grad. student 10)

SGD 19 (staff 11, grad. student 8)

CAMS 3 (staff 3)

JAXA shift (duty scientist) (11)

System office (4 : Kokubun, Natsukari, Wada, Sato (Rie))

JAXA engineers and other scientists (11)

Project Manager (1)sub total 122

NEC (system company) 40

AES (chamber operation) 25

total 187

2016/2/12にHIIAロケットで打ち上げ予定

3本の柱 2015年度は 典型的な研究スタイル

基礎開発 FFAST/SDCCDPolariS/SIPXRPIX/干渉計ASIC-MND03

スタッフ＋院生、B4の<数人のチーム。他の研究機関

（場合によっては天文分野外）とも協力。将来の衛星搭載、応用を目指して試行錯誤。B4の手づくりで世界最高性能の装置を開発したこともある。

衛星開発

ASTRO-H

>数100人規模、>5年の国際プロジェクト。 JAXA, NASA, ESA,国内外の大学、さらに、宇宙機開発メーカーとの共同作業。 基本的にスタッフ、院生の仕事。スケジュール厳守！Failure is Not an Option!

観測＆データ解析

SUZAKUMAXIChandra, XMM, Swift,Fermi

個人、あるいはスタッフ＋院生、B4の<数人のチーム。

外国、他の波長帯（近い将来重力波も）と共同で観測・解析することも多い。対象は彗星、惑星から最遠方のGRBまで様々。天体の種類、解析の視点で独自性を発揮。

SXIチーム(の一部）

ASTRO-Hチームの約1/3 ?

みんなで開発して各自の大発見を

パリつくば

常深研究室のメンバー、進路など• 教授：常深博、 准教授：林田清、 助教：中嶋大

• 研究員：小山勝二、穴吹直久、薙野稜• 秘書：渡邉万紀子（秘書F410）、澤本茂美

• D3：上司文善

• D1:井上翔太

• M2：今谷律子、金柱鏞、久留飛寛之

• M1：五十嵐宣孝、正村 陸、廣瀬真之介

• B4：池山優樹、孕石友太、米山 友景、HUANG RUOCHEN

• B3留学生: Silvio Fortune

• B4の9割は進学。他大学、他分野に行く人もいる。

• Mの就職先はメーカー（電気、宇宙、半導体、通信）、SE、ソフト会社、教員など。Dに進学する割合はおよそ1/4。

• D院生のほぼ全員が学振DC1/DC2を取得(現在のD1,D3も）。

• Dの就職先は、メーカー、ソフト会社、国内外の研究所。PDあるいはメーカーを経てASTRO-Hの仕事を一緒にしている人も多い。別の分野で活躍している人も。

常深研究室に4年生で所属すると• 入門セミナー（Linux PCの使い方入門、衛星データの解析練習入門セミナー）を受講

• １週間に１回の研究室ミーティングに参加• １週間に１回の本読み（芝井研と合同）に参加• 卒研テーマは、希望をきいて相談の上決定（6月頃）

• 観測データの解析か、装置の基礎開発• 夏合宿（7月頃＠公共天文台）でそれまでに勉強したことを中間発表

• 10月から（基本的に各自のペースで）研究本番

• 1月末に宇宙地球全体の卒研発表会

• 飲み会しばしば、秋には遠足

• 天文、宇宙物理の知識、実験・解析・PC・英語のスキルは最初は不要です。研究室で何かを習得してください。得られるものはあるはずです。

• 興味をもった選ばれし人は2016/1/19(火) 13時、14時、15時、16時、17時にF515の前に集合してください。

• 熱い心で熱い宇宙の探求を！

ASTRO-Hが解明する宇宙の謎

宇宙の成り立ちを調べる 巨大ブラックホールはどのように成長し周囲にどんな影響を与えたのか？

銀河団はどのように形成され進化して来たか？ 宇宙では各種の重元素が、いつ、どれだけ作られてきたか？

極限状態での物理法則を検証・解明する 超高密度・超強磁場の極限状態でどんな物理現象が起きているか？

ブラックホール近傍では、確かに時空は歪んでいるか？

宇宙線は、どこでどのように作られているのか？

活動銀河核アウトフロー

銀河団 衝突、乱流

超新星残骸、楕円銀河、銀河団 元素組成

白色矮星、パルサー、マグネタ― 磁場、密度

活動銀河核 鉄輝線

超新星残骸 非熱的成分

一例：銀河団高温ガスの乱流と共鳴散乱

ペルセウス銀河団のSXS 100ks観測シミュレーション

arXiv:1421.1176v Kitayama et al. 2014

→銀河団中の高温ガスの運動、磁場→銀河団の質量→宇宙のバリオン質量

ブラックホール周辺から放射される鉄輝線のＸ線スペクトル

B4卒研 by 川畑亮

3.2keV 6.4keV

X線エネルギー

6.4keVの輝線が特殊+一般相対論的効果により赤線のように変形される

シミュレーション

MDE(CPU Board)

MIO(FPGA Board)

FE(Driver Board)

CCD Clock TimingDriver DAC

Drive CCD

Output from CCD

HK

Pixel DataFrame Data

Event Data

Telemetry

Command

Command

Video(FPGA)

Video(ASIC)

SpW routerSpW

bitstream

PchNeXT4 by HPK

4 PchNeXT4 CCDs are mounted on the cold plate.

1 Stage Stiring Cooler

31mm

31mm

Hood

FE

EGSE(PC+Spw2GbE)

Cooler Driver

drive

Pictures in this slide are EM.

ContaminationBlocking Filter

衛星熱真空試験 : 分光性能

24

55Fe 較正線源の強度と照射領域が予想通りであることを確認。分光性能も単体熱真空試験時と同等。

CCD1

CCD2

CCD3

CCD4

expected spot size

Transfer Direction

aim point

Transfer Direction

Mn Kα & Kβ band image

ASTRO-Hスケジュール年度

卒研タイトル• 2015 池山優樹 XMM-Newtonによる大マゼラン雲内超新星残骸050-69.2の分光観測

• 2015 Huang Rouchen “New Type AGN”の X線スペクトル～時間変動とホスト銀河吸収

• 2015 孕石友太 シンチレータ用光検出器としての MPPC の利用

• 2015 米山友景 単独中性子星からの X線高エネルギー超過成分の発見

• 2014 五十嵐宣孝 マイクロレンジングイベントとX線源の照合による孤立ブラックホールの探査

• 2014 田中沙季 活動銀河核（AGN）のX線長期変動の観測

• 2013 井出舜一郎 PolariS搭載用X線偏光計のためのBe散乱体の性能評価

• 2013 桂川美穂 若い超新星残骸のガス運動非対称性

• 2013 久留飛寛之 NGC4945中心核近傍のブラックホール候補天体の発見

• 2012 井上翔太 衛星搭載CCDカメラの高速低雑音信号処理用アナログASICの開発

• 2012 Kim Juyong 放射光を利用したPolariS X線偏光計の性能評価

• 2012 谷間祐一郎 X線天文衛星「すざく」を用いた地球大気のX線蛍光分析

• 2012 横路修正 X線から求める中性子星の半径

• 2011 定本真明 PolariS衛星搭載用X線散乱撮像偏光計プロトモデルの開発II

• 2010 出口和弘 PolariS衛星搭載用X線散乱撮像偏光計プロトモデルの開発（1）

• 2010 上司文善 PolariS衛星搭載用X線散乱撮像偏光計プロトモデルの開発（2）

• 2009 山田なつ紀 Ｘ線衛星Chandraを用いた超新星残骸の解析

• 2008 小杉寛子 超新星残骸カシオペアＡのスペクトル解析

• 2008 進藤浩昭 スローンデジタルスカイサーベイのデータを使用した宇宙の質量分布地図の作成

観測データ解析 基礎開発実験