チェレンコフ宇宙ガンマ線グループ (CTA)
スペイン・カナリア諸島 ラパルマ島・
ロケ・デ・ロス・ムチャチョス天文台

MAGIC-IIMAGIC-I

CTA-LST初号機

 高エネルギー天体(ブラックホール天体など)の性質解明
 宇宙線の起源（宇宙の巨大加速器）の解明
 標準理論を超えた物理探求（暗黒物質探索、量子重力理論）
教員8名, 研究員3, 院生6(博士4, 修士2), 技術職員2, 秘書2
A8受入教員：窪秀利、吉越貴紀
東京大学宇宙線研究所 大学院進学のための交流会 2023年6月10日

ガンマ線全天画像
Image Credits: NASA E/PO,Sonoma State University, Aurore Simonnet

GeV領域 全天サーベイ
X線の10０万倍エネルギー

天の川銀河面NASA 2008年打上げ

Fermiガンマ線衛星
東大も参加 銀河面からの広がった放射 6000個以上の天体検出
https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/observations/types/allsky/

TeV領域

MAGIC望遠鏡（TeVCATカタログ）

Tibet AS 実験 約250個の天体検出
http://tevcat.uchicago.edu/

銀河面サーベイ（赤 : ブラックホール活動銀河核 など）

(主に)天の川銀河内

テーマ①高エネルギー天体の性質解明
超新星爆発・残骸

ブラックホール/中性子星/白色矮星・星雲

巨星

X線・可視光・赤外線
Credit: NASA/JPL-Caltech/O. Krause

連星系 中性子星パルサー

ESO/L. Calçada

天の川銀河外巨大ブラックホール

X線・可視光
X-ray Image: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.;
Optical Image: NASA/HST/ASU/J. Hester et al.

爆発的星生成銀河

相対論的ジェット

活動銀河核
NASA / Dana Berry, SkyWorks Digital

ガンマ線バースト 可視・赤外NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team©東京大学宇宙線研究所/若林菜穂(STScI/AURA)

 人工で作り出せない極限状態を高エネルギーガンマ線で観測し解明する
 GeV-TeV領域ガンマ線が検出⇒粒子がGeV-TeV領域(以上)まで加速
ガンマ線天体＝宇宙の巨大粒子加速器⇒宇宙線起源の解明

②宇宙からの高エネルギー粒子（宇宙線）の起源解明

粒子数強度[(m2 sr s GeV)-1]

①

②

③

起源は100年来の謎① E<1015-16 eV
天の川銀河内超新星残骸など② 1015-16 < E < 1018-19 eV

超新星残骸

3×1015eV 天の川銀河内?外?
 大規模構造?
③ E > 1018-19 eV
銀河系内閉じ込めできるエネルギーを越えている⇒天の川銀河外起源

活動銀河核?

NASA / Dana Berry, SkyWorks Digital

5×1018eV

LHC加速器109
エネルギー[eV]

γ線バースト?

©東京大学宇宙線研究所/若林菜穂

1020 銀河磁場で曲げられてしまう粒子とBhattacharjee & Sigl (2000)

異なり、ガンマ線の到来方向に起源がある。

③標準理論を超えた物理探求（A）暗黒物質探索

ダークエネルギー

DMDMhttps://sci.esa.int/web/planck/-/51557planck-new-cosmic-recipe

SM 超対称性理論で予言されるWIMP粒子の場合

直接探索

暗黒物質

間接探索

ガンマ線観測による間接探索法
暗黒物質

加速器実験

SM

DM: 暗黒物質
SM: 標準理論物質

対消滅ガンマ線
探索

E A Baltz+, https://doi.org/10.1088/14757516/2008/07/013
https://doi.org/10.1016/j.dark.2012.10.005

理論モデル（B）ローレンツ不変性検証
Axion like particle(ALP)の探索 量子重力理論によると

ALP(Image credit: Aurore Simonnet/Sonoma State
University/NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman
Kuring)

光子が地球へ飛来する間に、ALP ←→光子変換が起こる⇒γ線スペクトル変化。

非常に高いエネルギーでは、真空中の光速が波長に依存する可能性がある。
⇒光の伝搬時間のずれが大きく
ガンマ線エネルギー 高いほど天体までの距離遠いほど遠方天体からのガンマ線到来時間差を測定し検証超高エネルギーガンマ線観測方法－大気チェレンコフ望遠鏡
宇宙ガンマ線は地球大気で吸収⇒直接観測するには人工衛星や気球
 GeVガンマ線：人工衛星（Fermi衛星稼働中）
 TeV以上ガンマ線：天体からの放射強度が弱く、衛星搭載装置の面積では検出できず⇒地球大気を検出器として利用する
ICRRグループが参加 MAGIC @スペイン・～10 km

カナリー諸島VERITAS @USA

焦点面カメラHESS@ナミビア
千本の光電子増倍管
1ナノ秒刻み撮像
建設中CTA@カナリー諸島(北)＋チリ(南)⇒形状からガンマ線と背景事象
 南北半球に配置⇒全天観測を判別
 異なる経度⇒観測時間帯を繋ぐ

大気チェレンコフ望遠鏡 MAGIC
口径17m 2台@高度2200m ORM天文台(10以上の観測施設) スペイン領
 50 GeV-50 TeV γ線観測
カナリア諸島 約40名の日本グループ(東大、京大、東海大、名大他)を含む13か国(主に欧州)約2３0名の国際チームで運用(院生も現地シフト)

ラパルマ島
google動画

https://magic.mpp.mpg.de/video/20170101-magicbreve.mp4
動画 https://magic.mpp.mpg.de/video/20170601-magiclungo.mp4

重要な発見①活動銀河核ブラックホール極冠からのガンマ線放射NASA / Dana Berry,
SkyWorks Digital

強度(E>300 GeV) 活動銀河核 IC310（2.6億光年先）
 E>300 GeVで、強度変動 < 5分を検出

太陽質量3億倍
ブラックホール 欧州VLBI

MAGICMAGIC collaboration,
Science誌, 346 (2014) 1080もし、ガンマ線放射領域サイズ＝ブラックホールサイズ(3×108M☉→～3AU)ならば、ジェットによる相対論的時間短縮効果を考慮しても20分相当⇒ガンマ線放射がブラックホー
ルサイズより狭い領域で起こっていることを発見。

粒子加速・放射機構④
磁力線②①ブラックホールの回転③①回転
ブラックホール②ブラックホール極冠で電位差が発生③降着円盤からの光子から生成された電子・陽電子が加速④ガンマ線放射

重要な発見①活動銀河核ブラックホール極冠からのガンマ線放射
 活動銀河核 IC310（2.6億光年先）
 E>300 GeVで、強度変動 < 5分を検出

中性子星パルサーNASA / Dana Berry,SkyWorks Digital

欧州VLBI

磁力線回転
ブラックホール

MAGIC

動画

https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/pulsars/

https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/pulsars/a01
0205_pulsar_720p.mp4(今後)
ブラックホール物理・ジェット形成の解明へ

重要な発見②宇宙ニュートリノとガンマ線観測によるニュートリノ源天体同定に史上初成功
IceCube, Fermi, MAGIC+, 2018年, Science誌掲載
2017年9月22日
この発見以前、我々の銀河系外の天体で、ニュートリノが検出されたのは、SN1987Aだけであった。

50%
IceCube 90%

約38億光年先巨大ブラックホールを持つ活動銀河核

ガンマ線検出有意度
MAGIC

ガンマ線ニュートリノ

約0.3 PeV (=3×1014 eV)

南極 IceCubeⒸIceCube Collaboration

重要な発見②宇宙ニュートリノとガンマ線観測によるニュートリノ源天体同定に史上初成功
IceCube, Fermi, MAGIC+, 2018年, Science誌掲載
2017年9月22日
この発見以前、我々の銀河系外の天体で、ニュートリノが検出されたのは、SN1987Aだけであった。

光子

50%
IceCube 90%

約38億光年先巨大ブラックホールを持つ活動銀河核

π中間子生成ガンマ線検出有意度
MAGIC

ガンマ線
相対論的ジェットで加速された高エネルギー陽子

ニュートリノ約0.3 PeV (=3×1014 eV) 活動銀河核は超高エネルギー宇宙線の起源(の一つ)ⒸIceCube Collaboration
南極 IceCube
 観測２例のみで今後増やす必要あり。
 ガンマ線観測は、マルチメッセンジャー天文学(ニュートリノ、重力波、電磁波、粒子線)の大きな柱の一つ重要な発見③ガンマ線バーストからのTeVガンマ線検出に史上初成功
宇宙最大の爆発現象
太陽の一生の間に放出するエネルギー(以上)を～秒で放出

ブラックホール誕生の瞬間
起源候補：①中性子連星合体⇒重力波源

http://www.ligo.org/science/Publication-S6CBCLowMass/②極超新星爆発Fermi衛星

X線・ガンマ線放射スペクトル
我々の発見以前は未検出

シンクロトロン放射
MeV

GeV
TeV

高エネルギー側(GeV以上)のスペクトルに、別の成分があるかも（起源は？）https://www.nature.com/articles/s41586-019-1754-6

重要な発見③ガンマ線バーストからのTeVガンマ線検出に史上初成功
2019年1月14日発生
GRB 190114C(45億光年先)MAGICは、バースト発生アラート受信後27秒で追尾開始。
宇宙線研研究員が、ラパルマ島現地で観測当番中に起こった！
Fermi衛星 MAGICMAGICで観測したTeV領域ガン
マ線は、⇒GRB普遍的に存在。
Nature誌(2019年)掲載 ２編
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1750-x
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1754-6

シンクロトロン放射
MeV

逆コンプトン放射GeV
TeV

ICRR院生博士論文
現在５つしかないGRBの検出数を増やし⇒爆発機構・中心エンジンの解明へ
γ線到来時間のエネルギー依存性⇒ローレンツ不変性検証

次世代のTeVガンマ線天文台計画CTA
現行は2-4台 ⇒ 次世代では約100台配置、検出感度 10倍＋エネルギー帯域 10 倍
北半球：スペイン・ラ パルマ島

完成予想図

南半球：チリ・パラナル

完成予想図

口径サイズ３種類（23m, 12m, 4m）

https://www.cta-observatory.org/

２５か国 国際協力実験
約1500名(日本約120名)

 全天から1000 個以上の天体の検出期待 (84億光年先⇒123億光年先) 暗黒物質対消滅γ線探索、アクシオン様粒子探索、ローレンツ不変性検証など

CTA大口径望遠鏡(LST)初号機@スペイン・ラパルマ島

Credit: S.Nozaki

MAGIC 口径 17 m

口径 23 m 大口径望遠鏡
 20 GeV-20 TeV 鏡

圧倒的な検出事象数
 高速回転２０秒/１８０度
突発天体を捉える
 11か国(日欧+)約30０名

2018年10月完成

日本グループ 鏡・カメラ 開発の中心的役割
 主焦点カメラ（CTA口径3種類の望遠鏡で  分割鏡 ～200枚 アクチュエーター
最も低いエネルギー閾値
制御⇒最も遠くまで観測可）

 検出有効面積は、Fermi
衛星LATの1万倍

CTA－LST初号機(LST1)

 視野 4.5度
 光電子増倍管～２千本
 GHz波形高速
CTA-LST初号機（LST1）
記録回路
口径 23 m

1.5m

×265台

CTA望遠鏡の建設@スペイン・カナリア諸島

動画：http://www.cta-observatory.jp/pic/TOTAL_LST.mp4

LST-3
LST-2

LST-4
LST-1稼働中(2018年～)MAGIC

LST2-4号機
昨年から現地建設⇒
2025年度に完成(修士２年時)LST 2-4号基 準備状況@ラパルマ島
昨年10月、現地行政の建設許可が下り、基礎工事中
運用棟

LST
MST

LST-1
LST-2

LST-3

LST-4

17

CTA大口径望遠鏡(LST)－院生の活躍
観測データ解析

大学院生が第一線で活躍

学位論文・投稿論文

活動銀河核(BL Lac)
20 GeV LSTで初検出

強度変動

公開版ファイルでは図を削除
カメラ組立中@スペイン

カメラの望遠鏡取付前試験
カメラの望遠鏡取付直後

新種のガンマ線天体
再帰新星

望遠鏡横の運用室
Credit: David A. Hardy

白色矮星

Credit: David A. Hardy

日本院生

外国グループと共同作業

公開版ファイルでは図を削除

CTA南サイト@チリ・パラナル
Credit: Marc-André Besel, CTAO / ESO

ELT 39m

2028年～ 観測
１6 km
１1 km

CTA南サイトGoogleVLT 8.2mx4（高度2150m）

CTAサイト

昨年、公道からCTAサイトへの道路建設

19NASA/JPL-Caltech/O. Krause

NASA/CXC/ASU/J.
NASA/HST/ASU/J.
Hester et al.;

ESO/L. Calçada

NASA / Dana Berry,©東京大学宇宙線研究所/若林菜穂
SkyWorks Digital

NASA, ESA,
Hubble Heritage Team(STScI/AURA)

高エネルギー天体の性質解明

ガンマ線観測マルチメッセンジャー天文学
Fermi

MAGIC

NASA E/PO,
Sonoma State University, Aurore
Simonnet

次世代天文台CTA(建設中@スペイン・チリ)

粒子線
粒子線 γ＋
ニュートリノ重力波©IceCube

ブラックホール
物理・ジェット
形成

宇宙線起源
暗黒物質対消滅γ線探索

NAOJ//AND You Inc.

ローレンツ不変性検証

赤外・可視背景放射→宇宙の星形成史(84⇒123億光年先(CTA)連絡先
東京大学宇宙線研究所 チェレンコフ宇宙ガンマ線グループ (CTA)

https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~cta/index.html

A8受入教員
教授

窪 秀利

kubo@icrr.u-tokyo.ac.jp
https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~kubo/

CTA国際グループ
CTA日本グループ
MAGIC国際グループ
MAGIC日本グループ

准教授

吉越 貴紀

tyoshiko@icrr.u-tokyo.ac.jp
https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/~tyoshiko/https://www.cta-observatory.org/
http://www.cta-observatory.jp/
https://magic.mpp.mpg.de/
http://magic.scphys.kyoto-u.ac.jp/

https://www.cta-observatory.org/