JEM-EUSOは日本の高い技術力によって支えられています。
フレネルレンズ2

超高エネルギー宇宙線を観測する諸実験の比較
アガサ

焦点面支持構造

JEM-EUSOの構造

2.26m

焦 点 面

焦点面は直径2.26mの曲面で、そこに1インチ角の光電子増倍管を6000個並べて、光を検出します。通常の光電子増倍管は上面の45％の領域しか感度がありませんでした。
しかし、性能を最大限に上げるため、85％の領域で感度がある光電子増倍管を浜松ホトニクス（株）と共同で開発しました。

▲焦点面
164個の光検出器モジュールからなり、光電子増倍管の総数は5904個。

▲光検出器モジュール
6×6個の光電子増倍管からなる。

軽量化と広視野を実現
JEM-EUSO望遠鏡は、フレネルレンズを使います。
フレネルレンズとは、レンズ表面に同心円上の浅い溝を加工したもので、薄く軽いレンズを作ることができます。JEM-EUSOでは、両面に溝を加工した紫外線透過プラスチック製の曲面フレネルレンズを2枚と、平面の精密フレネルレンズを1枚使用します。
これらのレンズと焦点面によって、広視野の観測が可能となります。
レンズの口径は2.5mで、直径1.5mの中心部分と周辺の扇型の部分（ペタル）に分けて製作する計画です。
レンズの作成には、理化学研
エリッド
究所大森素形材工学研究室が開発したELID研削など超精密加工技術が活かされています。

2.5m

東京大学宇宙線研究所

ユタ大学

国際協力

東京大学宇宙線研究所
ユタ大学

国際協力

設置場所

山梨県北杜市

米国ユタ州

アルゼンチン

米国ユタ州

国際宇宙ステーション

検出器の形態

地上アレイ

地上蛍光望遠鏡

地上アレイ ＋
地上蛍光望遠鏡

地上アレイ ＋
地上蛍光望遠鏡

宇宙蛍光望遠鏡

観測期間

1990〜2004年

1997〜2006年

2005年〜

2008年〜

2015年
打ち上げ予定150500〜7,000760

125,000

1

未確定

50

10350〜1,700

日本の宇宙ステーション
補給機で宇宙へ▲光電子増倍管表面の85％に感度がある。
26.2mm角、6×6ピクセル。

JEM-EUSOの仕様
高度約400km

焦点面総画素数

約20万画素観測緯度・経度

北緯51°〜南緯51°
・全経度

地表面での解像度

約0.8km

視野60°

観測効率

12〜25％

視野地表面積約20万km

稼働年数

3年（＋2年）

口径2.5m

総重量

約1.9トン

光学系

両面フレネルレンズ＋精密フレネルレンズ

総消費電力

1kW未満

2

国際協力体制（2010年4月現在）
日本

理化学研究所 甲南大学 福井工業大学 青山学院大学 埼玉大学 放射線医学総合研究所 東京大学 東北大学
東京大学宇宙線研究所 高エネルギー加速器研究機構 千葉大学 国立天文台 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部
金沢大学 名古屋大学 名古屋大学太陽地球環境研究所 京都大学基礎物理学研究所 京都大学 神戸大学 近畿大学
広島大学 北海道大学 東京工業大学

米国

NASA/MSFC

UAH

フランス

APC-Paris 7

LAL, IN2P3-CNRS

ドイツ

MPI Munich

Univ. Tuebingen

イタリア

Univ. Florence Univ. Naples Univ. Palermo Univ. Rome “Tor Vergata”
INO/CNR IASF-PA/INAF IFSI-TO/INAF INFN

メキシコ

UNAM

韓国

Ehwa W. Univ.

ロシア

SINP MSU

スイス

Neuchatel, CSEM

スペイン

Univ. Alcala

ポーランド

IPJ

BUAP

LBL, UCB

UCLA

Vanderbilt Univ.

MPI Bonn

Wuerzburg

Univ. Arizona.

Univ. Erlangen

LMU&MPQ

Univ. Hamburg

Univ. Turin

UMSNH
Yonsei Univ.

▲中央のレンズの周囲に扇形のレンズ（ペタル）を並べ、口径2.5mとする。

打ち上げ
JEM-EUSOは、日本の宇宙ステーション補給機HTVに搭載され、国際宇宙ステーション（ISS）に運ばれます。HTVは、日本のH-ⅡBロケットによって打ち上げられ、自動でISSに接近、ロボットアームによってISSにドッキングします。JEM-EUSO
は、日本実験棟「きぼう」に取り付けられます。

ユーゾ

組織超高エネルギー事象フ レ ネ ル レ ン ズ

ジェム

JEM-EUSO（個／年）

フレネルレンズ1

アレイ

Telescope Array（km2・sr）

焦点面

テレスコープ

Auger

有効観測能

絞り

オージェ

HiRes

電子回路

精密フレネルレンズ

光電子増倍管6000個で光をとらえる

ハイレズ

AGASA

Dubna JINR

Podlasie Univ.

地球を観て宇宙を知る 地文台

ETH

Kielce Univ.

Jagiellonian Univ.

CBK

スロバキア Inst. Experimental Physics, KOSICE

JEM-EUSO Collaboration
独立行政法人 理化学研究所 戎崎計算宇宙物理研究室▲国際宇宙ステーションに接近する宇宙ステーション補給機HTV©JAXA〒351-0198 埼玉県和光市広沢2-1
TEL：048-462-1111（代表） FAX：048-467-4078
E-mail：jem-euso-staff@riken.jp URL：http://jemeuso.riken.jp/April 2010

発端

Extreme Universe Space Observatory
onboard Japanese Experiment Module

超高エネルギー宇宙線観測望遠鏡

AGASA

JEM-EUSO

1020eV の 超 高 エ ネ ル ギ ー

宇 宙 線 を日 本 で 観 測

超新星爆発 ©NASA et al.

2

ガンマ線バースト ©BeppoSAX Team

パルサー ©NASA et al.

観る

20

電波銀河 ©NRAO▲超高エネルギー宇宙線の起源天体の候補。未知の天体の可能性も。

相 対 論 の ほ こ ろ び？

地球に降り注いでくる宇宙線のエネルギーに上限があるという理論は、グライセンとザツェッピンとクズミンによって提唱され、3人の頭文字をとって「GZK限界」と呼ばれています。宇宙は、「 宇宙背景放射」と呼ばれるビッグバンの残光で満たされています。宇宙のどこかで超高エネルギーの宇宙線が発生しても、1.5億光年（50メガパーセク）ほど飛ぶうちに、その残光と衝突してエネルギーを失い、4×1019eV以下になるというのです。4×1019eVという値は、アインシュタインの特殊相対性理論に基づくローレンツ変換から求められたものです。

未 知 の 天 体？

GZK限界を超える超高エネルギー宇宙線が観測されたということは、何を意味しているのでしょうか？ まず、1.5億光年以内に超高エネルギー宇宙線を発生する天体があることが考えられます。
それは、未知の天体かもしれません。
しかし、もし1.5億光年以内にそのような天体がなければ、計算の根拠になっている特殊相対性理論が超高エネルギー領域では ほころんでいる という、現代物理学を根本からゆるがす大問題に発展してしまう可能性があります。一方で観測自体が間違いだという研究者もいます。超高エネ
ルギー宇宙線は、いまだ謎に包まれているのです。

宇宙へ

超高エネルギー宇宙線の論争に決着をつけるために計画されたのが、JEM-EUSOです。JEM-EUSOは3年間で1000個の超高エネルギー宇宙線をとらえ、エネルギーと到来方向を詳しく観測することで、その起源を明らかにすることを目指しています。

▲JEM-EUSOは国際宇宙ステーション（ISS）の日
本実験棟「きぼう」（ JEM）に取り付けられる。ISSは、高度約400kmの軌道を周回しており、約90分で地球を1周している。

挑戦

空 気 シャワ ー が 発 す る
紫 外 線 を とら え る※10 eV：16ジュール。1ccの水にその粒子が1個入ると、水温を約4℃上げるエネルギー。

地球大気に飛び込んできた宇宙線は、大気中の原子核と衝突し、電子や陽子などたくさんの粒子を発生させます。
それらの粒子が、また大気中の原子核と衝突し、さらに多くの粒子を発生させます。その様子から、「 空気シャワー」と呼ばれています。超高エネルギー宇宙線の場合、1個の宇宙線が約1000億個の粒子になり、半径約3kmの範囲の地上に降り注ぎます。
粒子が大気中の窒素原子を励起させたときに、蛍光紫外線が発生します。JEM-EUSOは、この紫外線をとらえ、数マイクロ秒（1マイクロ秒は100万分の1秒）ごとに連続写真を撮影します。発光する円盤が高度を下げながらだんだん大きくなり、やがて消えていく様子をとらえることができます。
それを調べると、超高エネルギー宇宙線のエネルギーの大きさと、どの方向からやってきたかが分かります。

JEM-EUSO

鉛直観測モード

AGASA 10km
Auger 50km

JEM-EUSO が も た ら す も の

1019eV2010 eV

地球大気
蛍光紫外線

線

t荷電粒子は磁場によって曲げられるが、10 20 eV以上になると磁場の影響を受けずにほぼ直進するため、到来方向が分かる。

国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョンから地 球を観る
空気シャワー

空気シャワーリノートュニは、地球に降り 注ぐ超高エネルギー宇宙線を国際宇宙ステーションから観測し、その起源天体を突き止めます。
▲スペースシャトルから撮影した地球大気 ©NASA

400km

電荷を持った粒子は宇宙の至る所にある磁場によって曲げられてしまうため、どこから来たのか分かりません。
しかし、超高エネルギー宇宙線は磁場によってほとんど曲げられずに飛んでくるため、その起源を知ることができます。これにより、可視光やX線、赤外線など電磁波と同じように、荷電粒子による天文学が実現します。
超高エネルギー宇宙線の起源としては、超新星爆発、ガンマ線バースト、活動銀河中心核、中性子星、電波銀河などが考えられています
が、現在の理論では、それらの天体では1020eV以上の超高エネルギーを発生させることはできません。
もっと効率よく粒子を加速させる機構がある、あるいは未知の天体が起源になっている可能性もあります。
1018eV宙

JEM-EUSOは、国際宇宙ステーション（ISS）の日本実験棟「きぼう」（JEM）に取り付けられます。口径2.5mの超広角レンズ望遠鏡を向けるのは、宇宙空間ではなく、地球です。天文台は地上から天を観て宇宙を知りますが、JEM-EUSOは宇宙から地球を観て宇宙を知るという新しい概念の観測装置 地文台 です。

JEM-EUSO

傾斜観測モード

荷電粒子天文学の実現

超高エ
ネルギー宇

観 測 面 積 は AGASA の1000 倍 により多くの超高エネルギー宇宙線を観測するには、観測範囲を広くする必要があります。東京大学宇宙線研究所はAGASAの後継として、
アテレスコープ
アレイ
メリカのユタ大学と共同で、ユタ州に760km2のTelescope Arrayを建設し、2008年から観測を開始しています。
またアルゼンチンでは、空気オージェシャワーの発見者の名前を冠した、1万km2のAuger実験が2005年から観測を開始しています。
しかし、地上ではさまざまな制約があり、観測範囲を広げるのはもう限界です。
そこで、宇宙空間から地球を観測するJEM-EUSO計画が持ち上がったのです。JEM-EUSOの視野は60度と広角で、観測範囲は一気にAGASAの1000倍、10万km2となります。
また、ISSは北半球の上空も南半球の上空も飛行するので、全天を観測することができます。

国際宇宙ステーション（ISS）

地球には宇宙空間から電気を帯びた粒子が1m あたり毎秒約1000個も降り注いでいます。
これを「宇宙線」といいます。宇宙線はエネルギーが高いほど数が少なく、4×1019電子ボルト（eV）
以上の宇宙線は特に急に少なくなると考えられてきました。
ところが、1990年代になると、1020eV※を超える超高エネルギー宇宙線がアガサ観測され始めたのです。東京大学宇宙線研究所のAGASA（明野広域空気シャワー観測装置）
は、13年間の観測で11個の超高エネルギー宇宙線を観測しています。
これは、従来の考え方が正しくない可能性を示唆していたので、大きな議論となっています。

謎飛躍

日本実験棟「きぼう」（JEM）▲超高エネルギー宇宙線の到来方向の予測（JEM-EUSOによる1000例）。複数が集まっている場合、その方向に超高エネルギー宇宙線を発生している天体があると考えられる。

超高エネルギーニュートリノの検出

全地球の大気発光現象を観測

超高エネルギー宇宙線と同じくらいのエネルギーを持ったニュートリノも、JEM-EUSOで観測が可能です。ニュートリノは、ほかの物質と相互作用をほとんどしないので、GZK限界がありません。超高エネルギーニュートリノはまだ発見されていません。
しかし、地球大気をまるごと検出器として使うJEM-EUSOであれば、1年で少なくとも数個のニュートリノを観測することができると期待されています。

大気中では、雷や流星、夜光など、さまざまな発光現象が起きています。JEM-EUSOは、それらの発光現象も観測します。雷は普通、地上との間で発生しますが、雲から上空に向けての発光現象（巨大ジェット、スプライト、ブルージェット、エルブスなど）もあり、それらが地球のどこで、どのくらいの頻度で起きているのかを明らかにします。流星は、小惑星や彗星のかけらなどの固体微粒子が大気に突入したものです。固体微粒子による発光を詳しく調べることで、母天体についての情報を得るこ ▲雷放電の一つ、キャロットスプ
ライト。とができると期待されています。

最高性能の粒子加速器
LHCの物理を超える最高性能を誇る粒子加速器ラージ・ハドロン・コライダー（LHC）が2008年に始動しました。粒子加速器とは、粒子を加速させて高エネルギー状態を作り出すことができる装置です。これまでに観測された宇宙線の最高エネルギーは、LHCで作り出すことができる最高エネルギーより2桁以上も上回ります。超高エネルギー宇宙線によって、いまだ人類が作り出せないほどの高エネルギー現象を研究することが可能となるのです。

撮影者：伊東耕二（東京都杉並区）