宇宙総合学研究ユニット
NEWS 2021 年 8 ⽉号
第４回 SCB2 キックオフ報道発表 開催報告
今年度も５名のクルーを選抜し、⽶国アリゾナ⼤学(The University of Arizona)と協⼒してSpace Camp at Biosphere 2 を実施します。2021 年 8 ⽉ 5 ⽇に昨年度のクルーによる第 3 回
SCB2 の報告と、今年度選抜された 5 名によるキックオフ報道発表を実施しました。
昨年度クルーメンバーからは、コロナ禍において昨年実施した⽇本でのフィールド実習の様⼦と⽇⽶でのオンラインワークショップの報告を⾏ってもらいました。今年度選抜されたクルーからは、⾃⼰紹介と今後SCB2 に参加する抱負を発表してもらいました。
（第３期 SCB2 クルー）
東亜希哉（ひがしあきや）産業医⼤ 医学部５年⽣
⼤上耕平（おおうえこうへい）京都⼤学 ⼯学部 ３回⽣
⾼畑花帆（たかはたかほ）近畿⼤学 医学部５年⽣
清⽔⾥⾹（しみずりこ）京都⼤学 理学部 ４回⽣
堀⼭勝輝（ほりやまかつき）京都⼤学 医学部 ２回⽣（第４期 SCB2 クルー）
佐野愛華（さのあいか）京都⼤学 ⼯学部 ２回⽣
伊藤河聞（いとうがもん）早稲⽥⼤学

修⼠ 1 年⽣

⽣⽅紗貴（うぶかたさき）慶應義塾⼤学 3 年⽣
平嶺和佳菜（ひらみねわかな）東京理科⼤学 3 年⽣
紺⾕昌平（こんたにしょうへい）筑波⼤学 1 年⽣

第 4 回 SCB2 海洋環境実習 in ⽩浜 開催報告
第 4 回⽬となる Space Camp at Biosphere 2 は、冬に予定されているアメリカ・アリゾナ州にある⼈⼯閉鎖⽣態系 Biosphere 2 におけるスペースキャンプに加えて、⽇本国内 3 ヶ所（⽩浜・芦⽣・⿃取）での環境実習を⾏う。その第⼀回として 2021 年 8 ⽉ 7 ⽇〜8 ⽇にかけて和歌⼭県⽩浜で海洋環境実習を⾏った。
1 ⽇⽬は、京都⼤学防災研究所・⽩浜海象観測所を訪問した。観測所は、和歌⼭県⽥辺湾に位置しており、⽥辺湾にある⽥辺中島⾼潮観測塔にて⻑期観測を⾏っている。⾺場康之准教授から、海洋固定観測点が果たす⻑期観測の役割と、海洋基礎物理パラメータを通じての環境⻑期観測の⽅-1-

法とその重要性に関する講義を受けた。その後、⼩型船舶で沖合にある観測塔を訪れ、観測塔付近と汽⽔域の⼆ヶ所で、各⽔深に対する塩分濃度・⽔温・溶解酸素濃度・濁度・クロロフィル a 濃度などの基礎パラメータの鉛直分布の実地観測を⾏った。また、エクマンバージ採泥器を⽤いた海底の採泥や、バンドーン採⽔器を⽤いた採⽔の⽅法も実地で体験した。夜には、京都⼤学総合⽣存学館の⼭敷庸亮教授から、地球近辺の惑星や恒星の特徴について「太陽系外惑星データベース・Exo Kyoto」を⽤いて講義を受け、その後屋外で天体望遠鏡を⽤いて学んだ恒星や惑星の観望も⾏った。また後⽇オンラインで、⼭敷教授からデータの解析⽅法や、⽣命にとっての海の重要性に関する講義を受けた。
2 ⽇⽬は、京都⼤学フィールド科学教育研究センター瀬⼾臨海実験所・⽩浜⽔族館を⾒学した。
⽔族館では、⼩林元樹研究員に、ゴカイをはじめとする周囲の海に⽣息する⽣物の特徴や飼育⽅法、進化に関する説明を受けた。さらに、⽔族館の付近の潮だまりでは実際の⽣物の観察も⾏った。今回の実習で学んだ知識や得たデータは、アメリカ側の SCB2 参加者 5 名とオンラインで共有して、今後Biosphere2 の⼈⼯の海洋環境との⽐較を⾏う予定である。

写真右︓瀬⼾臨海研究所周辺の海岸にて

写真左︓ボートによる実地観測

⼤気球による豪州での MeV ガンマ線南天観測
⾕森 達
京都⼤学 理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 物理学第⼆教室
今⽇天⽂学は⼤きく進展した。約 80 年前までは可視光の観測のみであったが、今は電磁波のほぼ全波⻑領域から宇宙線、ニュートリノ、重⼒波まで観測が進んでいる。その中で 0.1〜50MeV のコンプトン散乱を主な反応とする MeV ガンマ線は、原⼦核反応に関する放射領域のため、超新星爆発等の元素合成領域や中性⼦星・ブラックホール等からの放射、粒⼦加速からの放射など宇宙の⼤半の⾼エネルギー現象の重要な情報が得られる。特に放射性同位体からの核ラインガンマ線は元素の種別以外に、半減期からその場での元素合成を直接⽰す唯⼀の証拠であり、超新星爆発等の元素合成解明には不可⽋と考えられている。そのため X 線天⽂学が始まった当時から研究が開始された。しかし 60 年経過した今もほとんど進展は無く約 30 天体が観測されたに過ぎない。

-2-

その理由は、MeV ガンマ線は量⼦性が強く屈折・反射などの電磁波の画像法が使⽤できず、到来⽅向は個々のガンマ線のコンプトン散乱の物理量を計測、運動⽅程式を解くという粒⼦物理的⼿法でしか求まらない。しかしコンプトン散乱は散乱電⼦、反跳電⼦共に MeV 以下でその 3 次元測定が困難であった。1970年以後、反跳電⼦の⽅向以外は測定可能となり、不完全ながらコンプトン散乱の運動学からガンマ線⽅向が決定できるコンプトンカメラ（CC）が登場。しかし電⼦の⽅向測定が不可能なため運動⽅程式が完全には解けず、ガンマ線⽅向を決める仰⾓と⽅位⾓のうち、仰⾓しか得られず⽅向は数⼗度に広がる円環となる。
そのため画像内の各場所の情報が常に混在し画像内の各場所の線形性が無い⾮線形画像となる（図１b）、つまり Point
Spread Function が全画⾯に薄く広がった状態なため本質的に感度が下がらず定量性もない。普通の画像はこの 2 ⾓が画像⾯の 2 次元座標に全単射されるが、それができない。他のコーデッドマスク法なども同様である。さらに MeV ガンマ線は⼤気外での衛星、気球観測が必要だが上空では宇宙線が常に測定器と作⽤しガンマ線放射性同位体が出来るため測定器⾃体が最も強い雑⾳源に常になるというジレンマまである。これを除去するためにも正確なガンマ線到来⽅向が必要だがそれが不可能であった。1990

図１︓（a）ETCC の概念図、TPC 周囲を PSA が取り囲む。到来⽅向は ARM と弧の⻑さ SPDで限定。従来 CC は SPD が無く年代にコンプトンカメラ（CC）の COMPTEL、2000 年代以後は円環となる。（ｂ）CC（左）とコーデッドマスクの INTEGRAL と 30 年にわたり欧⽶の⼤型衛星ETCC（右）の集光の差。（c）
TPC 内の⾶跡トポロジー例。

が観測を続けたが⼤きな進展は得られていない。

これを打破し MeV ガンマ線天⽂学が本来持っている豊かな科学を引き出す⽬的で、我々は電⼦⾶跡の⽅向を測定しコンプトン散乱の全物理量測定が可能な電⼦⾶跡検出型コンプトンカメラ（ETCC）を開発（図１a）、ETCC を⽤い気球による MeV ガンマ線観測計画 SMILE を開始した。ガンマ線検出には本来⽤いない希薄なガスを利⽤し、粒⼦実験で使⽤されるガス 3 次元粒⼦⾶跡検出器（Time Projection Chamber; TPC）を改良、数 keV 以上の微弱な電⼦⾶跡の⽅向が霧箱で⾒るように測定出来、コンプトン散乱の全物理量の測定を実現し、ガンマ線を 1 点に収束し全単射ガンマ線画像取得に成功した（図１ｂ）。さらにガンマ線再構成に使⽤しない電⼦のエネルギー損失率等や⾶跡のトポロジーを利⽤し（図１ｃ）、ガンマ線を損失せずに完全な雑⾳分離も同時に実現、２つの問題を⼀気に解決した。つまり今まで⾒えなかったガンマ線の完全可視化を世界で初めて実現したのである。
宇宙観測⽤の 30 ㎝⽴⽅ ETCC を 2018 年に JAXA ⼤気球搭載し豪州で南天の 1 ⽇の観測を実施した（SMILE2＋実験）。ETCC は 3sr と広視野を持ち、1 ⽇の観測で全天の 3/5 を観測、銀河中⼼（GC）全域とディスクの半分さらにかに星雲（Crab）までを観測した。予想通り雑⾳の⼤半-3-

は簡単に除去でき、ETCC の⾒た領域の宇宙ガンマ線のライトカーブが得られた。GC が ETCC の視野に⼊る間、ライトカーブは増加と

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減少を⽰し明確に GC からの拡散ガンマ線を捉えた（図２︓R2
年秋の天⽂学会⽔村⽒発表から）。MeV 領域での GC 拡散ガ
ンマ線は GOMPTEL・INTEGRAL が 10 年近く観測しても広がっているため雑⾳分離が困難であり直接観測はできなかった。モデルを仮定した複雑な解析で精度の悪いデータのみである。ライトカー
ブのみで GC が観測できたことは雑⾳が宇宙拡散ガンマ線と同程

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7 < 87 7度、つまりほぼ全雑⾳の除去に成功したことも明確に証明した。
Crab も予定通り 4σで検出。世界で初めて打ち上げ前の予想通りの感度を ETCC 法で実現、今までコンプトン法の観測では 1 桁近い予想感度の低下が常に報告されていた。1 ⽇の観測であるが図２︓エネルギー別のライトカーブ。
８⽇ 0 時以後 GC が視野に⼊ると全帯域で増加に続き減少を確認

GC ガンマ線、さらには系外拡散ガンマ線共に初めて低雑⾳の⾼統計データが得られた。この２つは今、暗⿊物質の探査、活動銀河核の分類などで⾮常に注⽬されている。ただ低雑⾳は実現したが信号ガンマ線⾃体が装置や⼤気で散乱した後に装置に⼊る成分が多く、それを直接装置に⼊った信号との分離が⼤変難しいという新しい問題も起こった。現在、その問題をシミュレーションとデータの精密な⽐較から解決し、今年数編の論⽂として発表していく（7 ⽉に第 1 論⽂を投稿、Arxiv に登録）｡
今、SMILE2+を基に 5 倍の感度改善を⾏い⼀か⽉の⻑時間気球による観測 SMILE3 を 4-5 年後に⾏う計画を進めている。今回より 2 桁以上の⾼統計を実現、COMPTEL より 5 倍感度が⾼い南天全域観測を実現、気球ではあるが⼀期に MeV ガンマ線天⽂学を進展させ、最終的には 2030 年
代の衛星による従来の 100 倍の⾼感度全天探査を⽬指す。今回の成功はこの衛星観測が可能なことを実証している。ガンマ線測定に最も不向きなガスを利⽤、その希薄さを利⽤することで逆に初めてMeV ガンマ線の完全可視化に成功した。MeV ガンマ線は放射線ガンマ線である。つまり放射線の完全可視化が出来た。それを利⽤する医療、原⼦⼒、環境等多くの分野に⾼精度イメージング測定が今後可能になり、宇宙以外でも⼤きな発展が期待される。

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