研 究 会・学 会 スケジュール
第 223 回アメリカ電気化学会「ナノカーボン・シンポジウム」
The 223rd ECS Meeting

名古屋大学理学部･大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
spring ̲ summer 2013

編 集だよりNanocarbon Symposium

24

今回は宇宙線を特集した。分野を問わず、研究の歴史を振り返ると異なる研究成果の間に思いがけないつながり

開 催 日 ： 2013 年 5月12日（日）〜 16日（ 木 ）開 催 場 所 ：トロント（カナダ）
主催 ：アメリカ電気化学会
問い合わせ ： 篠原久典 理学研究科 教授
noris@nagoya-u.jp ／ 052-789-2482

が見えることがある。宇宙線研究でも、100 年にわたる広がりの中で、人類の知的な基盤が着々と築かれていく様子が興味深い。手近にある理科年表を見ると、主な物理学上東アジアSKAサイエンスワークショップの発見が年代順にまとめられており、宇宙線にかかわる

An SKA Scientiﬁc Workshop in East Asia
開 催 日 ： 2013 年 6月5日（ 水 ）〜 7日（ 金 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ： SKA-Japanコンソーシアム
問い合わせ ： 竹内 努 理学研究科 准教授
takeuchi.tsutomu@g.mbox.nagoya-u.ac.jp ／ 052-788-6182

発見も少なくない。ヘスによる宇宙線の発見は、はじめはなかなか信用されなかったが、1920 ̲ 30 年代には確立され、その後の新たな素粒子の発見につながった。早川幸男
先生は1950 年代に、2 つの大きな仕事をされた。宇宙線

方向感度を持った暗黒物質検出ワークショップCYGNUS2013 ̲ 4th Workshop on Directional Detection of Dark Matter ̲の起源が超新星にあるとの仮説と、ガンマ線天文学の可能

開 催 日 ： 2013 年 6月10日（月）〜 12日（ 水 ）開 催 場 所 ： オークスカナルパークホテル富山（ 富山市 ）主
催 ： CYGNUS2013 international organizing committee
問い合わせ ： 中 竜大 高等研究院 特任助教
naka@ﬂab.phys.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2444

性の指摘である。特集では、最新のガンマ線観測によって宇宙線陽子の超新星起源が支持されることを紹介した。
早川教授の肝いりで、田中靖郎先生らが幼児期のX線
天文学を牽引し、衛星計画に実を結んで宇宙線電子の2013 年度日本数学会季期研究所 モジュライ理論の発展

観測を切り拓いた。60 年近い年月を経て、早川先生のThe 6th MSJ-SI Development of Moduli Theory
開催 日 ： 2013 年 6月11日（ 火 ）〜 14日（ 金 ）／レクチャーシリーズ
2013 年 6月17日（月）〜 21日（ 金 ）／研究集会
開 催 場 所 ： 京都大学数理解析研究所
主催 ：日本数学会
問い合わせ ： 金銅誠之 多元数理科学研究科 教授
kondo@math.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2815

先見が現実のものになったことは感慨深い。
（ 福井康雄 ）表紙説明
右上は、天文衛星「 すざく」がとらえた超新第 33 回溶液化学国際会議

星残骸 RX J1713.7−3946のシンクロトロンX

33rd International Conference on Solution Chemistry

線放射の画像（ 提供：佐野栄俊・田中孝明 ）。

開 催 日 ： 2013 年 7月7日（日）〜 12日（ 金 ）開 催 場 所 ： 京都テルサ（ 京都市 ）主
催 ： 溶液化学研究会
問い合わせ ： 高木秀夫 物質科学国際研究センター 准教授
h.d.takagi@nagoya-u.jp ／ 052-789-5473

宇宙線発見から100 年、X線やガンマ線の発生源を特定することで、新たな宇宙像があぶり出される。

国際地球生物学研究集会−初期生命の多様性と進化の謎に挑む
The International Biogeoscience Conference 2013 Nagoya, Japan開 催 日 ： 2013 年 11月1日（ 金 ）〜 4日（月）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ： IBCN2013 実行委員会
問い合わせ ： 杉谷健一郎 環境学研究科 教授
sugi@info.human.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-4865

No .24spring _ summer 2013
2 0 1 3 年 5月1 0日発 行
広報委員

篠原久典（研究科長）
松本邦弘（副研究科長）
杉山 直（評議員）
南

和彦（数理学科）

福井康雄（物理学科）※委員長

組織図

中村光廣
（物理学科）

理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）

山口潤一郎
（化学科）

理学部（学科名）

寺崎一郎（物理学科）
大学院研究科（専攻名）

多元数理科学研究科
数理学科

多元数理科学専攻
理学研究科

杉山 伸（生命理学科）

関連施設等
附属南半球宇宙観測研究センター

瀧口金吾（生命理学科）

附属タウ・レプトン物理研究センター

ウォリス・サイモン（地球惑星科学科）
斉藤

太陽地球環境研究所

物理学科

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究機構

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻編集発行

附属臨海実験所

本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。
広報委員会までご連絡ください。

遺伝子実験施設
環境学研究科
地球環境科学専攻

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 -8602 名古屋市千種区不老町
ご意見、ご感想をお待ちしています。

附属構造生物学研究センター

地球惑星科学科肇（事務長）

エコトピア科学研究所

なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

生物機能開発利用研究センター

次号は2013年 10月頃発行の予定です。

附属地震火山研究センター
博物館

事務部

年代測定総合研究センター

技術部

地球水循環研究センター
減災連携研究センター

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社コミニケ
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

I S S N 1884 ̲ 8486

特集

「 宇 宙 線の起 源を求めて 」
04 ̲ 宇宙線は超新星爆発によってつくられるのか◇福井康雄
08 ̲ ガンマ線で宇宙をとらえる◇田島宏康
02 ̲ 時を語るもの〈 田中靖郎博士 〉◇牧島一夫
03 ̲ 理のエッセイ◇東山哲也
12 ̲ 理の先端をいく ◇大町
18 ̲ 理学部交差点

遼／出口和彦／ウォリス・サイモン

時を語るもの◎ 理のエッセイ

トランスフォーマティブ
生 命 分 子 研 究 所にかける夢

田 中 靖 郎 博士 ＿日本 の X 線 天 文 学 の 育ての 親ロケットの発達に伴い、50 年前に誕生したＸ線天文学。
＊1

その研究の日本における「 生みの親 」が早川幸男 博士
＊2

と小田稔

東 山 哲 也 トランスフォーマティブ生命分子研究所教授あげた。ガス蛍 光 比 例 計 数 管 の開 発、それを搭 載した「 てんま」衛星による鉄輝線分光学の開拓、「ぎんが 」に博士であるなら、田中靖郎博士はその「 育てのよる超 新 星S N1987Ａからの硬Ｘ線 の検 出、不 朽 の名 機親 」であろう。田中博士は宇宙線の研究を出発点に、卓抜「 あすか 」によるブラックホールからの相対論的効果の検証な物理実験家としての手腕と、豊かな国際感覚により、名古など、つねに宇宙物理学の最前線を開拓され、多くの賞を屋大学に強力な宇宙実験グループを築き、オランダと協力

受 賞されている。ご定 年 後は、日本 学 術 振 興 会ボン研 究

して超 軟Ｘ線の観 測などを主 導した。1974 年に宇 宙 科 学

連絡センター長として日独交流に貢献され、2010 年度には

研 究 所に移られてからは、多くの科 学 衛 星プロジェクトを文化功労者にも選ばれた。

牽引し、日本のＸ線天文学を世界の三極の一つとして育て（ 東京大学理学系研究科物理学専攻教授

牧島一夫 ）

田 中 靖 郎（ 1931̲ ）元名古屋大学理学部助教授（ 1962−1974 ）東京大学名誉教授（ 1991−）
宇宙科学研究所名誉教授（ 1994−）
名古屋大学特別教授（ 2010−）
文化功労者（ 2010 ）マックス・プランク宇宙物理学研究所
特別所員

Illustration: Lisa Tezuka

思えば、新しい世界の扉を自らの手で開くときのワクワクする気持ちは、科学や大学にとって、最も根っこの部分かもしれない。科学者には、心からワクワクする研究に全力で取り組める幸せをかみしめ、若者が夢をもって集まる魅力的な活動を展開する責務がある。
昨年の 12 月に、理学部も深く関わることで、名古屋大学トランスフォーマ
ティブ生命分子研究所（ Institute of Transformative Bio-Molecules;
I T b M ）が発足した（ 本号P .19 参照 ）。親和性が高いように見える化学と生物学も、最先端同士で真の融合を実現する研究所は、実は世界的にも例◇写真の説明がない。I T b Mは、この最先端同士での融合を実現し、数多くの革新的な生命

左の写真は田中博士が名古屋大学在籍

分子を生み出す。それと同時に、大学のシステム改革や国際化を推進する

中に発 表された論 文。1966 年 8 月9日に使命も担う。さまざまな新しい試みに多くの期待が集まる一方で、我々ITbM

名古屋大学で実施したロケット気球を用いて銀河X線の等方成分スペクトルを観測

メンバーには自然と重圧がかかる。

した結果について論考されている。周期的

いかに大変かを覚悟する我々の背中を押すのが、新しい研究にワクワクに開閉するシャッターがX線観測装置のする気持ちである。異分野のメンバーが最先端の研究を語り合い、話がどん特長となっていることがわかる。上の写真は論文の書き出し、執筆者には早川幸男博士

どん盛り上がり、想像もしなかった大きな可能性を垣間見る瞬間、心からの興奮の名 前もある。下 は 2012 年 10 月20日にとワクワクに包まれる。そんな瞬間を、すでに何度も味わってきた。申請や立ち開 催された名 古 屋 大 学 ホームカミング

上げに際して、どんなに悩み、苦心しても、メンバーはこのワクワクの瞬間にデーにおける田中博士の講演会風景。

接して、いつも決意を新たにする。
世界トップレベル研究拠点プログラム（ W P I ）は現在 9 拠点が採択されている。ITbMは、研究所ではなく学部をベースとして設立された初めての拠点である。近い将来、化学や生物学といった枠組みに囚われない新しい若手リー
ダーたちが、ここから誕生することだろう。最近、スタッフとして他大学から招集した30 代の若手から、期せずして「ワクワクします」といわれた。目を輝かせ、才能あふれる次世代が、つねに新しい扉を見つけ出す、
そんな拠点であり続けたい。

＊1 早川幸男（1923 ̲ 1992）
元名古屋大学理学部教授（本誌3号P.2参照）＊2 小田稔（1923 ̲ 2001）
元宇宙科学研究所教授
02 時 を 語 るもの

1971 年山形県鶴岡市生まれ。東京大学大学院理学系研究科

Tetsuya Higashiyama

博士課程修了。同研究科助手を経て、2007 年より現職。2010 年
よりE R A T O東山ライブホロニクス研究総括、2013 年よりI T b M
副拠点長。専門は植物分子生物学。

No.24 spring _ summer 2013

03

特集

宇 宙 線の起源を求めて宇宙線は、銀 河を飛び交うエネルギーの高い粒 子である。
地球にも大 量の宇 宙 線が降り注いでいる。
1912 年に宇 宙 線が発 見されて以来、宇宙線がどこで加 速されているのかは大きな謎であった。
1950 年 代、早川幸 男とギンツブルグは超新星残骸における宇 宙 線 加 速を提 案した。
発見後 100 年を経てようやく、宇宙線の超新星爆発起 源の立 証が進んできた。
そしてこの立 証を可 能にしたのはガンマ線の衛星観測と、
地上ガンマ線 観 測と星間物質研究の意外な出会いによるものであった。

図 1 宇宙線と電磁波の違い
電荷をもつ宇宙線の陽子や電子は、磁場によって曲げられるために発生源がわからない。ガンマ線やX線などの電磁波は磁場の影響を受けずに源から直進する。

宇宙 線は超 新 星 爆 発によってつくられるのか
福 井 康 雄 附 属 南 半球宇宙観測研究センター長
上 空にいくほど電 離 度は上 昇した。その当その後、フェルミの説は、そのままでは宇宙

10 〜 100 年のうちに高い効 率で宇 宙 線 がいえないが、宇宙線陽子を観測することは時、電離を引き起こす放射線は地面から出る

線加速に必要な効率を説明できないことが加 速される。超 新 星 爆 発で生じる運 動の難しい。陽子は電子よりも放射を出す効率がと考えられていた。上空ほど電離度が上昇＊3わかった。1950 年代、早川幸男 とギンツ
＊451

全エネルギーは10 エルグとほぼ一定の値をはるかに低く、
電波では見えない（ 図 1 ）。

することは予想外だった。ヘスは、地球外からブルク は宇宙線の超新星起源説を独立に取る。このエネルギーの10％ぐらいが宇宙線

電離を起こすエネルギーの高い粒子が来て提案した。1970 年代、超新星爆発で生まれ加速に使われると予想される。

いると考えた。この発見はすぐには物理学者

た衝撃波による加速が理論的に検討され、に受け入れられなかったが、その後のさまざま宇 宙 線 加 速を説 明できることがわかった。

な実験がこの発見を支持し、宇宙線の存在

衝撃波加速は現在、最も有力な宇宙線加速

X線の観測によって、宇宙線の電子が放つ

らえれば、宇宙線陽子を検出できる可能性がは確実になった。1936 年、ヘスは宇宙線のの仕 組みである。超 新 星の衝 撃 波は毎 秒＊5シンクロトロン放射が観測された。小山勝二

ある（ 図 2 ）。宇宙線陽子をとらえるためには

発 見でノーベル物 理 学 賞を授 与された。

3000〜1万キロメートルで星間空間を伝わる。

らによって、超新星残骸SN1006のX線がシン

ガンマ線観測が有効である。ガンマ線が超早川幸男は、1950 年代に宇宙線陽子が星間陽子と衝突し、中性パイ中間子＊6を生じる反応に注目した。中性パイ中間子はすぐに

宇宙線はどこで生まれるのか

2 つのガンマ線にこわれる。このガンマ線をと

1220 世 紀 前 半、宇 宙 線は物 質の成り立ちを銀河系全体では100 年に2、3 個の超新星

クロトロン放射であることから、10 電子ボルト

新星残骸から来ていることを明らかにし、しかも示す多くの発 見をもたらした。1929 年には、爆発が起きており、衝撃波面は数百光年の程度の宇宙線電子が超新星残骸で加速さ陽子衝突の原因がガンマ線であることを立証

陽電子が宇宙線中に発見され、反物質の銀河系円盤の厚みを満たしている。陽子やれていることがはっきりした。
しかし、宇宙線のする必要がある。ただし、ガンマ線は宇宙線存在を証拠づけている。

電子は衝撃波面を何度も横切って数千キロ

陽子は電子よりも100 倍多い。宇宙線陽子を電子と光子との反応でも生まれるので、そのメートルの速 度 差で反 射を繰り返 すため、

とらえなければ、宇宙線の起源の解明とは

2 つを区別することが不可欠である（ 図 2 ）。

宇宙線加速の仕組み

Yasuo Fukui

宇宙線はどのように加速されているのか、

1951 年大阪市生まれ。東京大学理学部卒業（ 1974 ）、同大学院理学系研究科天文学専攻修了（ 1979 ）。専門は電波天文学。チリ共和国に電波望遠鏡「 なんてん 」を設置し、星の生まれるガス雲の観測を行っている。

宇宙線とは長年の大きな謎であった。1947 年フェルミ＊2〈陽子起源のガンマ線〉

は、星間雲によって加速が起きているのではPないかと考えた。磁場をもつ星間雲に電荷を宇宙線陽子

実に22 桁の開きがある。太陽などの星表面もつ粒子があたると、鏡のように粒子を跳ね

宇宙線は高エネルギーの粒子であり、銀河の粒子のエネルギーも、空気中の粒子のたか返す作用がある。星間雲と粒子が近づくとき、を満たしている。太陽系に飛んできた宇宙線

だか 10 〜 100 倍にすぎない。1 個の宇 宙 線

はねかえされた粒子のエネルギーは増える。

は、地球周辺でも観測される。宇宙線のエネ粒子のもつエネルギーは実に膨大である。

近づく場合の方が遠ざかる場合よりも、割合

π+
星間陽子

e−
π0 崩壊

P

π

−

P

＊1 V.ヘス（ 1883 ̲ 1964 ）
オーストリアの物理学者。ノーベル物理学賞（1936年）を受賞。

〈電子起源のガンマ線〉

ガンマ線

e−

宇宙線電子
ガンマ線

低エネルギーの光子

ルギーは大きい。これまでに見つかっている

1912 年、ドイツのポツダム近 郊で気 球にが多い。星間雲の速度は毎秒 10キロメートル

図 2 ガンマ線発生の仕組み 2 説

最 高エネルギーの宇 宙 線のエネルギーは＊1

乗って上空に向かう物理学者がいた。ヘス

程 度と遅いが、数 百 万 年 以 上をかければ（ 左 ）陽子起源のガンマ線は、宇宙線陽子と星間陽子が反応して中性パイ中間子をつくり、それが崩壊して発生する。
（ 右 ）電子起源のガンマ線は、
宇宙線電子と低エネルギーの電磁波が反応して生じる。

10 電子ボルトである。空気中の分子のエネである。熱気球にのり、上空 5000mまで到達

加 速された粒 子のエネルギーは宇 宙 線を

ルギーは30 分の1 電子ボルトくらいだから、してその場の電離度を測った。驚いたことに、説明できる、とフェルミは考えた。

20

04 特 集 ＿ 宇 宙 線 の 起 源 を 求 め て＊2 E.フェルミ（ 1901̲ 1954 ）
イタリアの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1938 年 ）を受賞。
＊3 早川幸男（ 1923 ̲ 1992 ）元名古屋大学理学部教授（ 本誌 3 号P.2 参照 ）。
＊4 V.ギンツブルク（ 1916 ̲ 2009 ）ロシアの物理学者。ノーベル物理学賞（ 2003 年 ）を受賞。
＊5 小山勝二（ 1945 ̲ ）京都大学名誉教授。
＊6 中性パイ中間子
素粒子の 1 つ。電気的に中性なパイ中間子の他、正と負の電荷をもつパイ中間子もある。

No.24 spring _ summer 201305

特集̲ 宇 宙 線の起 源を求めて星間物質のシェル

衝撃波によって強められた磁場図 4 超新星残骸と星間雲との相互作用のモデル図
濃い星間雲は粒状に分布するため、衝撃波はその間をすり抜け高温ガスを生み出さない。同時に加速された宇宙線陽子が星間雲中の陽子と反応してガンマ線を生じる。
（ T. Inoue, R. Yamazaki, S. Inutsuka andY. Fukui 2012, Astrophysical Journal 744, 71 ）地上からのガンマ線観測が前進する

星残骸の1 つで初めて、シェル状のガンマ線陽子起源説を裏付ける

超新星
爆発の中心
陽子起源ガンマ線

宇宙線陽子が衝突

水素原子として存在するはずである。分子雲

次のようである。
「 1c m3 あたり少なくとも10 個

質的に重要である。R X J1713で行った解析

ガンマ線は地球大気に吸収されるために、分布が明らかになった（ 図 3 ）。シェルは爆発

筆者らは、
2003 年、
南米チリの電波望遠鏡

はその中に含まれる一酸化炭素C Oなどのの一様な星間ガスに衝撃波を入れると、ガスは、他のガンマ線で観測される超新星残骸に

普通は地上で観測できない。そこで、1980 年を示す典型的な性質である。このガンマ線超「なんてん」の観測から、この超新星残骸が分子の電波で観測できる。一方、水素原子はは加熱されて高温になる。しかし、そのようなも適用され、同種のガンマ線超新星残骸R X

前後から衛星によるガンマ線観測が行われ＊９

新星残骸R X J1713 は10 電子ボルト領域

星間分子雲と衝突していることを見いだした。

波長 21c mのスペクトルで観測できる。筆者ら

高温ガスはまったく観測されていない。従って

J0852＊12 でも星間陽子とガンマ線の分布がたが、角度分解能は低く超新星残骸をとらえのガンマ線で最も明るく輝いており、太陽系にこの分 子 雲はガンマ 線 のシェルのちょうどは、別の天体で原子と分子とを比較する研究

ガンマ線は陽子起源ではなく、電子起源であよく対応することがわかった。一方、フェルミるのは難しかった。2008 年のフェルミ衛星にも近く詳しく観測できる。中国の歴史書にこのピークの方向にある。宇宙線陽子が分子雲をしており、この超新星残骸でも濃い原子雲る」。つまり「 陽子起源でガンマ線を出そうと

衛星は、年齢数万年のより進化した超新星

よって、10 電子ボルト帯の観測に大きな飛躍

超新星爆発の記録が残っており、約 1600 年

中の陽子と反応していれば、陽子起源でガンがあることに気 がついたのである。調 べてすると多くの陽子が必要になるが、その場合、残骸でガンマ線陽子起源の証拠をつかんだ。

がもたらされ、超新星残骸も検出されるように前の西 暦 396 年に爆 発したことがわかる。

マ線が生まれている可能性が高い。2005年、

みると、分子のない場所に濃い原子雲は存在

衝撃波加熱による高温ガスが大量に発生しこれらの超新星残骸のガンマ線が陽子起源なった（ 本誌P. 8 参照 ）。

この超 新 星 残 骸で検出されたガンマ線の早速H.E.S.S.望遠鏡のガンマ線分布と比べるする。両者を分析して標的となる全陽子のて、観測と食い違う」という論理である。ここであることは、ますます確かになった。ただし、

13

9

12

もう1 つのガンマ線観測の流れが地上観

最高エネルギーは10 電子ボルトを超える。

と、「なんてん 」の分子雲地図はガンマ線と総量を精密にカウントすると、星間陽子はガンで問題となるのは、標的が「 一様密度で分布

他の超新星残骸では、星間ガスの量が少なく測で実現した。大気に突入するガンマ線がもし、ガンマ線が陽 子 起 源のものとすると、よく似た分布を示すことがわかった。しかし、

マ線によく対応した分布を示すことがわかったする」という仮定である。

なると、次第に電子起源ガンマ線が優勢にな

＊7

15

＊10

もとのガン
生む空気シャワー の光を検出し、宇宙線陽子の最高エネルギーは10 電子

ガンマ線の強い部分であるにもかかわらず、（ 図 3 ）。これはガンマ線が陽子起源

マ線を間 接 的にとらえる手 法である。このボルト近くにもなる。これは銀河系内の最高エ

まったく分子雲のない場所があることが問題ことを強く示す結果である。2005 年の研究で原理を用いたガンマ線望遠鏡がいくつかつく

ネルギー宇宙線のエネルギーに匹敵する。

として残った。
「なにか見えていないもの（ 陽は、原子状の陽子をカウントすることを見落とられ、2005 年前後になってガンマ線観測の宇宙線陽子起源のガンマ線が立証できれ子 ）がある」と予想された。

していたのである。

角度 分 解 能と感 度が飛 躍 的に向 上した。

ば、宇宙線陽子の加速の証明になる。多くの

122009 年 10月、解決の糸口が見つかった。

分解能がともに大きく向上する時代が来る。

星間雲は粒状に分布する（ 図 3、4 ）。密度のより多くの超新星残骸について理論を検証

目の前に近づいている。

残骸で見つかったのである。標的になる陽子

強い支持を得たが、いくつかの問題が残されある。衝撃波がここに突入すると、真空中はは星間ガス中に存在し、水素分子、またはた。陽子起源だとすると、ガンマ線の強度は、自由に通過して高温ガスは生じない。一方、標的になる陽子の総量と宇宙線陽子の総量

ガス塊は濃すぎて、衝撃波は中に侵入できなに比例する。R X J1713 の強いガンマ線をい。そのために、密度が高いガス塊は、衝撃陽子起源で説明するには、大量の標的陽子波によって加熱されないで生き残る。このようが必要である。宇宙線の密度が同じであれに、現 実に観 測された粒 状の星 間 物 質のば、標的陽子が濃いほどガンマ線は強くなる。

分布を考えると、一様密度の場合のような高温観測されたガンマ線強度から、
もっともらしい

ガスは生まれない。陽子は分子雲と濃い原子

線は電子起源か、それとも陽子起源か 」にが原子雲として存在することが、この超新星

南アフリカのナミビアにつくられたガンマ線

ついて論争されてきたが、2011 年時点では決着はついていなかった。

銀緯（度）に粒状であることである。観測の示すように、の高いガス塊 が浮 かんでいるのが現 実でミ衛星よりも3 桁以上高いガンマ線をとらえる。

3

図3

RXJ1713 の標的陽子

超 新 星 残 骸R X J1713における星 間 陽 子の分布（ 左 ）と、左図のシェルにそった陽子
およびガンマ線の角度分布の比較（ 右 ）。
星 間 陽 子 の総 和（ 原 子と分 子 の和 ）がガンマ線とよく対 応し、ガンマ線の陽 子 起
源を支持する。（ Y . F u k u i e t a l . 2012,
Astrophysical Journal 746, 82 ）標的陽子の総量を計算すると、1c m あたり

雲中に集中してガンマ線放射の標的として少なくとも10 個となる。これよりも標的陽子が働き、強いガンマ線放射と、高温ガスのないこと

少ないと、宇宙線陽子の総エネルギーとして、が同時に説明できる。この特徴は、磁気流体

超新星爆発の全エネルギーを超える量が力学の数値計算＊11 によって実証された。
ガンマ線の起源を解く上で、標的となる星間必要になり、矛盾である。
ここで、陽子起源説への有力な反論は、ガスの分布とガンマ線を比較することは、本＊7 空気シャワー
宇宙線、または、宇宙からのガンマ線が大気に入射して形成する大量の2 次粒子群。
＊8 H.E.S.S.
High Energy Spectroscopic System（ 高エネルギー分光システム）の略。宇宙からのガンマ線は大気に入射して空気シャワーをつくる。この空気シャワーが生み出すチェレンコフ光を観測するガンマ線望遠鏡の一種。
＊9 RX J1713
ガンマ線やX線を発する若い超新星残骸の1 つ。正式名称は
RX J1713.7-3946。
＊10 陽子起源
宇宙線陽子と星間陽子の反応に起源をもつ現象。
＊11 磁気流体力学の数値計算
磁場を考慮して流体のふるまいを数値的に計算すること。
＊12 RX J0852
ガンマ線やX線を発 する若い超 新 星 残 骸の 1 つ。年 齢は
約 2000 年。正式名称はRX J0852.0-4622。

方位角（度）

天 体 物 理 学 研 究 室ウェブページ
06 特 集 ＿ 宇 宙 線 の 起 源 を 求 め て

チェフレンコ望遠鏡アレイによって、感度と空間

標的陽子の発見によって、陽子起源説は分子雲より密度は低いが、ある程度濃いガス

銀経（度）ポイントは、現実の星間物質の分布が極度

3

陽子起源説の「 困難 」

まもなく、次 世 代のガンマ線 望 遠 鏡である

し、宇宙線加速の詳細をつぶさに見る時代が研究が理論と観測の両面で行われ、「ガンマ望遠鏡H.E.S.S. によって、2005 年に、超新粒状の分布が「 困難 」を解決する

低い真空中に1cm あたり100 個以上の密度フェル
これらの観測は、10 電子ボルトという、＊8る傾向も見えている。

である

http://www.a.phys.nagoya-u.ac.jp/ae/
No.24 spring _ summer 201307

特集̲ 宇 宙 線の起 源を求めてガンマ線で宇 宙 線をとらえる
田 島 宏 康 太 陽 地 球環境研究所教授
フェルミ衛星の登場

いたが、その中に超新星残骸と同定された

10-9

フェルミ衛星による超新星残骸観測

2008 年にN A S Aによって打ち上げられたものはなかった。宇宙線研究の焦点は「 宇宙フェルミ衛星は、期待通り超新星残骸のガンマ線宇宙望遠鏡フェルミ衛星は、ガンマ線 陽 子の加 速 」の証 拠をつかむことであガンマ線を検出した。これらの超新星残骸は線観測を大きく発展させた。フェルミ衛星は、る。そのためには、最も有 望な加 速 源であ数万年前に起きた超新星爆発の跡であり、（ 1G e V ）周辺のガンマ線を10 電子ボルト

る超新星残骸の放つガンマ線を検出しなく

W44、W51CやI C443などの名前でよばれる

観測することを目的とする。フェルミ衛星は、てはならない。フェルミ衛星は、コンプトン衛電 波を放 つ超 新 星 残 骸である。これらの高エネルギー物理実験でなじみのあるシリ星と比較して 30 倍の統計と2 倍以上良い

超新星残骸は、爆発によってつくられた衝撃

コン半導体検出器などの先進的な技術を

角 度 分 解 能により、2 年 間の観 測で 1800

波がまわりの星間ガスと衝突している兆候が採用したことに特徴がある。開発の舞台は、以上のガンマ線源を検出し、そのうち 1300見られたため、宇宙線陽子起源のガンマ線を米国のSLAC国立加速器研究所などが中心のガンマ線 源に関して対 応 天 体を同 定し観測することが期待された。

であり、筆者も2010 年までそこに属して衛星た。名古屋大学・広島大学をはじめとする

フェルミ衛星の観測によって、W44 ではの開発と運用に携わった。

日本のグループは、シリコン検出器の開発とガンマ線が超新星残骸の衝撃波領域から放運 用に中 心 的な役 割を果 たし、これらの射されていることが明らかになり、宇宙線陽子観測をリードしてきた。

起源を裏付ける期待が高まった（ Science誌

W51C
W51C
W44
W44

20,000 yrs

9＊1

フェルミ衛星以前は、コンプトン衛星 に
よって300 個近いガンマ線源が検出されてE2 dN/dE (erg cm-2 s-1)

Cas A
カシオペア座A
30,000 yrs

10-10

RX J1713.7-3946
J1713.7-3946

2,000 yrs

10-11
300 yrs

10-12

10-13

フェルミ衛星の観測エネルギー範囲

8

10

9

10

10

10

1011

1012

13

1014

10

Energy (eV)
図 1 フェルミ衛星が観測した代表的な超新星残骸のスペクトル

図 2 フェルミ衛星が観測したW44 のガンマ線分布

比較的新しい超新星残骸であるカシオペア座AやR X J1713と比較して、古いW44やW51Cでは低いエネルギーのガンマ線が卓越しており、超新星残骸の進化に伴うスペクトルの変化が明らかになった。

青‐赤‐黄の順にガンマ線の強度が強くなる。分子雲（ 白線 ）と電波シェル（ 黒線 ）の強度分布を重ねた。分子雲の濃い部分（ 下部 ）でガンマ線が強くなっていることがわかる。

327 号 2010 年掲載 ）。
とくに期待されたのは、ガンマ線スペクトルの特徴である。ガンマ線には、電子起源のものと陽子起源のものが広がっていることがわかった。これは、W44が打ち上げるX線衛星A S T R O - Hに搭載

エネルギーが 2×108 電子ボルト以上になるある。W44、W51CやI C443 の超新星残骸

から「 逃げ出し」た高エネルギーの宇宙線がされるガンマ線検出器の観測によって、決着傾向があることに起因している。

のエネルギースペクトルを解 析したところ、まわりに拡散していく過程で、星間ガスと相互がつけられると期 待されている。ちなみに、さまざまな角度から入念に分析した結果、

10 電子ボルト周辺のエネルギー領域で最も作 用して放 射したガンマ線と解 釈できる。

A S T R O - Hの軟ガンマ線検出器の開発に

フェルミ衛星のとらえたガンマ線のスペクトルガンマ 線 強 度 が高 いという特 徴 をもち、超新星残骸が宇宙線を加速する期間の中

おいても、名古屋大学が主要な役割を果たは、陽子起源の動かぬ証拠であることが結論

10 電子ボルト以上でスペクトルが急激にで、高エネルギーまで加速できる「 新鮮な」している。

された。このエネルギー領域は、系統誤差が低下していることがわかった。図 1にフェルミ

期間は短く、やがて高エネルギー宇宙線が衛星の検出した代表的な超新星残骸のスペ「 逃げ出す 」様子をとらえれたと考えられる。

クトルを示す。W44、W51CやI C443の超新さらに若い超新星残骸の宇宙線加速は

年齢数万年の超新星残骸において陽子

ついに決定的となった。さらに、これらの超星残骸のスペクトルは、10 電子ボルトでのどうなっているのだろう。図 1に示す超新星

が加 速されている動 かぬ証 拠 が、W44と新星残骸で観測されたガンマ線強度からガンマ線強度が高く、それよりも高エネルギー

残骸のスペクトルの中で、カシオペア座AのI C443において確認された。図 2、3に示す

陽子の全エネルギーを推定すると、1049 から側で急激な落ち込みを示す。より年齢の若いスペクトルは注目に値する。カシオペア座A通り、
フェルミ衛星が観測したW44とIC443の1050 エルグ程度と計算できるが、これらの超超新星残骸R X J1713にはなかった特徴では、300 年ほど前の極若い超新星のなごりエネルギースペクトルを詳 細に解 析したと

新星爆発の全エネルギーの数パーセントに

9

10

9

Hiroyasu Tajima

1963 年愛知県生まれ。名古屋大学理学部卒業（ 1986 ）、同大学院理学研究科物理学専攻満了（ 1991 ）。理学博士。専門は宇宙線物理学。メガ電子ボルト
からテラ電子ボルトを超える広帯域のガンマ線観測機器の開発に取り組むとともに、ガンマ線観測によって宇宙線起源や暗黒物質を探究している。

08 特 集 ＿ 宇 宙 線 の 起 源 を 求 め て

大きく解析が困難な領域であったが、超新星陽子加速の立証

8

残骸で宇宙線陽子が加速されていることがあり、超新星残骸の進化に伴って中程度のである。R X J1713と比較して、ガンマ線強度

ころ、10 電子ボルト以下の領域でエネルギー相当する。早川幸男とギンツブルクが宇宙線

エネルギーの宇 宙 線の加 速が主になったも弱く、高エネルギー領域へも伸びていない。

スペクトルが急激に減少していることをつき源として超新星残骸を独立に提唱したことがためと考えられる（ 本誌P.6 参照 ）。

宇宙線加速がまだ十分に進んでいないこととめたのである（ S c i e n c e誌 339 号 2013 年

W44のガンマ線放射の分布を調べてみるを思わせる。このガンマ線放射の起源につい掲載 ）。これは、宇宙線陽子と星間物質のと、ガンマ線がW44からしみ出すように周囲にては、まだ結論は出ていない。2015 年に日本相互作用で生成された中性パイ中間子の＊1 コンプトン衛星
NASA が 1991 年 4月に打ち上げたガンマ線観測衛星。

No.24 spring _ summer 201309

特集̲ 宇 宙 線の起 源を求めてW44

IC 44310-10

E2 dN/dE (erg cm-2 s-1)

E2 dN/dE (erg cm-2 s-1)

10-10

10-11

Best-fit broken power law
Fermi-LAT
AGILE (Giuliani et al. 2011)0-decayBremsstrahlung
Bremsstrahlung with Break

10-12

8

10

9

10

10

10

10-11

Best-fit broken power law
Fermi-LAT
VERITAS (Acciari et al. 2009)
MAGIC (Albert et al. 2008)
AGILE (Tavani et al. 2010)0-decayBremsstrahlung
Bremsstrahlung with Break

10-12

1011

8

1012

10

Energy (eV)
図3

9

10

10

10

1011

1012

Energy (eV)

2 つの超新星残骸W44とIC443 のガンマ線スペクトルフェルミ衛星他の観測点と、いくつかのガンマ線放射のモデルを曲線で示した。それぞれの天体で、陽子起源モデル（ 太い
実線 “π0 -decay” ）は観測とよく一致するが、電子起源モデル（ 太い破線 “Bremusstrahlung” ）は一致しないことがわかる。

ことで、C T Aでは銀河系内のすべてのガンは、ガンマ線バーストを引き起こす極超新星

偏 移 が 0.1 以 上 の遠 方 の超 巨 大ブラック

マ線天体を観測できるようになる。

爆発や太陽の100 万倍から10 億倍の質量をホールから到来するガンマ線は、背景赤外光

こうして、より多くの超新星残骸の観測がもつ超巨大ブラックホール、銀河団の衝突とと相 互 作 用して減 衰 すると考えられている可能となり、宇宙線加速の研究がさらに進む

それに続く合体などの説があるものの、どれもが、観測による検証はこれからである。C T A

であろう。角度分解能も3 倍程度向上する

有力とはいえない状況である。

でさらに高エネルギーのガンマ線を観測する

ため、R X J1713などのガンマ線強度分布を

C TAを用いた観測によって銀河系外の宇さらに細かく観測でき、ガンマ線と星間陽子の

宙 線 の源 が明らかになることが期 待されフェルミ衛星の観測で年齢数万年の超比較をはじめ、ガンマ線放射機構の解明にる。たとえば、
これまでのフェルミ衛星の観測

新星残骸W44、I C443での宇宙線陽子の役立つと考えられている。CTA開発においてにより、ガンマ線バーストでは高エネルギー

加速が立証された。年齢数千年の若い超新最も期待されている新技術が半導体光検出のガンマ線が 10 秒以上遅れて放射されてい星残骸R X J1713でも、より高いエネルギー器である。チェレンコフ望遠鏡では、1ｍ あた

るが、感度が不十分であるためその放射機の宇宙線陽子加速が証拠づけられた。このり数 10 個のチェレンコフ光子を効率よくとら

構が十 分には理 解されていない。このようように、1950 年代に早川幸男が提唱したガンえるために光電子増倍管が用いられてきた。

な単発で短時間の現象に関しては、C T Aは

マ線観測は、21 世紀に入って一層の発展

最 近 開 発されたガイガーモードのアバラン

フェルミ衛星の1 万倍の感度をもつため、ガンを続けており、宇宙研究の重要な柱の 1 つシェフォトダイオードを用いた半導体光検出器

マ線バーストにおけるガンマ線放射機構をを形成しつつある。

明らかにできると期待されている。また、赤方2半 世 紀 以 上を経て立 証されたのである。

探査においても重要な貢献をしている。最近

によるガンマ線を観測するためには、これまで

は、光電子増倍管と同程度の光電子増幅率

また、早川が宇宙線研究の手段としてガンマの宇 宙 線 気 球 実 験の測 定によると宇 宙 線

より高エネルギーの領域で十分な感度をもつをもちながら、光検出効率が 2 倍程度である

線 観 測を提 唱したことも、的を射た提 案で電子のスペクトルに暗黒物質起源とも考えら

観測機器の開発が必要不可欠となってきてため、大きな期待がよせられている。その採用あったことも明白である。

れる盛り上がりが見られたが、フェルミ衛星にいる。現在、計画中の次世代の大気チェレンにむけて開 発 が精 力 的に進められており、よる精密なスペクトル測定によってこれは否定

コフ望遠鏡であるチェレンコフ望遠鏡アレイ

名古屋大学のグループはここでも主要な役割された。
また、暗黒物質の対消滅の結果生成（ C T A ）は、図 4に示すように大中小 3 種類を果たしている。

ガンマ線観測の将来

10フェルミ衛星は1800個のガンマ線源を検出されるガンマ線の信号を探査し、3×10 電子の望遠鏡を100 台近く設置して、観測エネした。その中で1000 個以上は活動銀河核でボルト以下では存在しないことを示し、暗黒ルギーの下限と上限をそれぞれこれまでよりあり、その圧倒的な数により、その活動性や物質の研究にも貢献している。今後のガンマ

1 桁広げ、ガンマ線の検出感度も10 倍向上

銀河系外の宇宙線については、まだまだ時間発展の理解が大きく進んでいる。また、線観測の課題は山のようにある。

する。大口径望遠鏡は、光の集光能力が高く謎が多い。ここまでは、銀河系内の宇宙線源

1415

銀河系外の宇宙線の起源

パルサーもこれまで120 個以上を検出し、そのこれまでの観測では、10 〜 10 電子ボル

これまでのチェレンコフ望遠鏡より低いエネルについて記述してきたが、銀河系内の星間うちの半分近くがフェルミ衛星による初検出でト程度までの宇宙線しかその起源が明らか

ギーのガンマ線を検出することを可能にする。

磁 場の強さを考 慮 すると、10 17 電 子ボルトあるなど、パルサーの研究に大きな進展をもたになっていない。宇宙線のスペクトルが 1015

一方、小口径の望遠鏡は、高エネルギーの以上のエネルギーをもった宇宙線は、銀河系16らした。とくに、フェルミ衛星の観測によってこ〜 10 電子ボルト付近で変化することから、

ガンマ線しか検出できないが、1 台あたりの内にとどまることができない。そのため、1017

れまで考えられていたより多くのミリ秒 パル

少なくともそのエネルギー領域までは、超新星

経費が安く数十台の望遠鏡が設置可能で

電子ボルト以上のエネルギー領域の宇宙線サーとよばれるパルサーが検出され話 題と残骸で宇宙線が加速されていると考えられてある。このように広いガンマ線のエネルギーの大部分は、銀河系外から到来すると考えらなっている。さらに、フェルミ衛星は暗黒物質いる。さらに高エネルギーの宇宙線相互作用

領域に合わせた最適な望遠鏡を混合する

れている。銀河系外の宇宙線起源に関して

図 4 チェレンコフ望遠鏡アレイの想像図
4台の大口径望遠鏡（口径 23m程度）、
二十数台の中口径望遠鏡（口径 12m程度）、
数十台の小口径望遠鏡（口径 4〜6m程度）からなる。

太 陽 地 球 環 境 研 究 所 太 陽 圏 部 門 （ 宇 宙 線 ）ウェブページ
10

特 集 ＿ 宇 宙 線 の 起 源を求 めてことで決着をつけることができる。

http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/CR/
No.24 spring _ summer 201311

理 の 先 端を いく Ⅰ

最短のカーボンナノチューブをつくる
大町

遼 物 質 理 学専攻博士後期課程3年
図 2 シクロパラフェニレンの合成手法
ベンゼンは非常に剛直な平面分子であるために曲げることができず、単純につなげるのではリン
グ状のC P Pは合成することができない。そこで、あらかじめベンゼンに変換可能な「シクロヘキサン」とよばれる構造を4 つの角に組み込んでおくことで、ひずみの少ない四角形型の化合物をつくる。最後に、シクロヘキサンをベンゼンに変換する
ことで角を落とし、CPPを合成することができる。

前人未踏の分子Haruka Omachi

1985 年愛知県生まれ。2008 年名古屋大学理学部化学科卒業。同年名古屋大学大学院理学研究科博士前期課程入学。2010 年名古屋大学大学院
理学研究科博士後期課程進学。同年日本学術振興会特別研究員（DC1 ）。

ブロックのようにつなぎ合わせる

ノチューブとは異なり、溶媒によく溶けることか

トロニクス材料への応用が期待される。

カーボンナノチューブは炭素のみからなる

この問題に対して、シクロヘキサンを「 曲ら通常の有機化合物と同様に扱うことができ

さらに、
ごく最近CPPをテンプレートにするこ

直径数ナノメートルの筒状の物質である。優がったベンゼン前駆体 」として用いることで解る。またX線 結 晶 構 造 解 析を行ったところ、とでカーボンナノチューブが成長することを見れた強度と弾性力という機械的特性、熱伝導決した（ 図 2 ）。シクロヘキサンはベンゼンと同

CPPは内部に分子を取り込む性質があること出しつつある（ 図 3c ）。

性や電気的特性、さらには非常に軽いという

じく６つの炭素なる骨格を有し、また直角に近が明らかになった（ 図 3a ）。C P Pのサイズを

これまでの研究でC P Pの選択的な合成方

性質から、きわめて広範囲の応用・実用化のい角度をもつことから環ひずみ解消ユニットにかえることでその直径にぴったり合うものを選法論の確立と性質解明に取り組んできた。次研究が急速に進んでおり、間違いなく次世代なりうる。そこで、直線状のベンゼンとL字状の択的に捕まえる、といった利用への可能性もの目標は、構造を完全に制御したカーボンナ

マテリアルズサイエンスの主役となる物質であ

シクロヘキサンを組み合わせた「 L字型ブロッ示唆される。

ノチューブの精密化学合成である。これが達る。
しかし従来の合成法では、さまざまな側面ク」を合成し、それをパラジウム触媒による鈴光物性測定の結果からは、C P Pのベンゼ

成できれば、有機合成化学における金字塔と構造・太さ・長さの混合物というかたちでしか木‒宮浦クロスカップリング反応によって連結ン環の個数が違うだけで発光色がかわるといして大きなインパクトを与えるばかりではなく、供給されないという問題を抱えている。

することで、ひずみのかかっていない環状化

う特異な性質を明らかにした。たとえば［ 12 ］

CNTの分子科学的な研究の発展・深化に大そこで私はカーボンナノチューブの精密化合物を構築した。最終段階でシクロヘキサン

C P Pは青色に光るのに対して、9 個のベンゼきく寄与するものであると考えられる。近い将学合成を究極の目標とし、その第一歩として部分をベンゼンへと変換する芳香族化反応

ンで構成される［9］
CPPは緑色の発光を示す

来に世界中のだれも成しえていない純正カー

最短のカーボンナノチューブであるシクロパラ

によって、ベンゼン12 個からなる［ 12 ］CPPの（ 図 3b ）。非常に効率よく光ることからも、有ボンナノチューブを合成できると信じて、これ

フェニレン（CPP ）の合成研究に着手した（図合成を達成した。

機 E L発光材料などに代表される有機エレクからも研究に邁進していきたい。

1 ）。CPPはベンゼンを環状につなげただけのこの合成法の大きなメリットは、環状中間体

シンプルな分子だが、1 世紀近く化学者の挑を得る際に用いるベンゼンとシクロヘキサンの戦をことごとく退けてきた歴史的な分子であ数を変えて「ブロックのように」つなぎ合わせる。
「クラム・ハモンド有機化学 」という教科書ることにより、直径の異なるCPPをつくり分けるにも夢の化合物として取り上げられていたほことができる点である。さらにベンゼン以外のどであった。

芳香環を用いることで、さまざまなリング状分では、なぜこれまで誰もC P Pの合成を達成

子が同じ戦略で合成できるという利点もある。

できなかったのか。その大きな要因として、ベ［ 12 ］C P Pについては2011 年 9月より市販さンゼンが剛直な平面分子であることが挙げられるに至った。

（a）

（b）

（c）

10nm
1.6 nmれる。ベンゼンが曲がりにくく、単純につなげるだけでは環状にするのは極めて困難である。
図 1 シクロパラフェニレンとカーボンナノチューブの構造式
カーボンナノチューブのベンゼン構造 1 周（ 赤色の部分 ）を抜き出すと、
シクロパラフェニレン（ CPP ）の構造となる。

いかにしてひずんだリングをつくるのかが最大の鍵といえる。

シクロパラフェニレンの性質
合成に引き続いて物性解明にも取り組んでおり、その一部を紹介する。CPPはカーボンナ

有 機 化 学 研 究 室 ウェブ ページ
12

理 の 先 端 をいく Ⅰ

図 3 シクロパラフェニレンの性質（ a ）CPPのX線結晶構造。ここでは環の内部に結晶化時の溶媒分子が取り込まれている。
（b）［ 12 ］CPPおよび［ 9 ］CPPの溶液状態における発光。
（c ）CPPをテンプレートとして合成したカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡（TEM ）の像。多数のチューブが束状に集まっている。

http://synth.chem.nagoya-u.ac.jp/
No.24 spring _ summer 201313

理 の 先 端を いく

Ⅱ

大
0

温度

物理量

0

量子臨界点

Kazuhiko Deguchi

1976 年生まれ。2004 年京都大学大学院理学研究科博士後期課程修了。同年京都大学理学研究科COE研究員。同年 12月から現職。専門は低温物理学・超伝導・磁性。

チューニング パラメータ（物質・磁場・圧力など）

図3

Au-Al-Yb準結晶実験に使用したAu-Al-Yb準結晶の多結晶試料

スケールの1目盛りは1m m。この物質の小宇宙の中にブラック
ホールと相通じる量子臨界現象が現れる。

電子の小宇 宙に潜むブラックホール＊1

私たちの周囲にある物質の多くは「結晶 」

物質の相図の中に現れる量子臨界点と物理量に現れる量子臨界現象

絶対零度の量子臨界点に向かって、さまざまな物理量が発散し、ユニバーサリティをもった特異性が現れる現象が量子臨界現象である。この点においてブラックホールの物理と深い共通点がある。ここでは電子の状態が量子臨界点に位置し量子臨界現象が顕著に現れる状態を量子臨界状態としている。通常は電子の状態をピンポイントに微調整しないと量子臨界状態は現れず、不安定な状態と考えられている。Au-Al-Yb結晶と異なり、Au-Al-Yb準結晶は安定に量子臨界点に位置している。

出 口 和 彦 物 質 理 学専攻助教
発見された第 3 の固体

図4

Au-Al-Yb結晶

携 帯 電 話や太 陽 電 池に使われているシリ窓に使われるガラスも身近な存在である（たとえば「 五角形を用いて平面を埋め尽く電子の有効質量が低温で対数発散し、温度

コン、ハイブリッド車や電気自動車のモーターが、その中の原子はでたらめに配列し、「アモすことはできるか 」というヒルベルトの第 18 問を冷やせば冷やすほど無限に重くなり続け

これは、準結晶特有の性質により、通常は＊2

態は実現しなかった。

とよばれるもので、その中の原子やイオンはに使われている磁 石、ダイヤモンドなどのルファス 」とよばれている。結 晶とアモル

題やペンローズ・タイル）と深いつながりをもつるものがある。この現象を量子臨界現象と安定に存在させることが困難な量子臨界状

規則正しく整列している（ 図 1 ）。その例は宝石、金・銀・銅などの金属などがすぐにファスの存在は古くから知られているが、「準ことがわかってきた。

よび、電子が量子臨界点という特異点に位置

態 が安 定に発 現していることを意 味 する。

するときに現れる（ 図 4 ）。

いいかえれば、第 3の固 体の性 質を利 用し数限りなく存在し、私たちの体に不可欠な塩、思いつくであろう。

＊3

結晶 」が発見されたのは1980 年代に入っ現在では、100 種類以上の準結晶が合成てからのことである。図 2に示すように準結晶され、天然鉱石の中にも発見されている。
しか

物性物理における特異点である量子臨界て、物質の中にブラックホールを「 創造する」

は原子配置が特殊ではあるが規則性をもつ

し、準結晶の電子状態に起因する特有の点は、宇宙物理における特異点であるブラッことに成功したのかもしれない。そして宇宙でため、回折実験では結晶と似たような性質を物性について現在も謎のままであった。

クホールにも深く関係しており、そこではさまはアプローチ不可能なブラックホールを、物質

ざまな物理量に異常が生じる。

という小宇宙では観測しコントロールできる

示すが、その回転対称性は結晶では許されないものであったため、どちらにも分 類でき

図2

Y bの正 20 面体が周期的な格子点上に整列している。結晶では、ある原子配列のパターンが繰り返し現れる。たとえば、図 1のパターンを上下左右に積み重ねると、結晶ができ上がる。
このような性質を「周期性をもつ」という。結晶ではその回転対称性が2、3、4、6 回対称性のみに制限される。

Y bの正 20 面体が準周期的な格子点上に整列している。結晶、
準結晶、アモルファスを区別するのは、それらを構成する原子の配列である。結晶中の原子は規則正しく周期的に配列し、ガラスなどのアモルファス中の原子はランダムな配置をとる。準結晶中の原子は、特殊な規則性（ 準周期性 ）をもつ。この図では結晶では許されない5 回対称性を反映した正五角形が見られる。

Ybの原子配置のみ示したAu‒Al‒Yb準結晶の構造

せず、最適な磁場や圧力を加えて、電子の

この「 第 3 の固 体 」を発 見したシェヒト

ウム（ A l ）とレアメタルの1 つであるイッテルビ

状態をピンポイントに微調整する必要がある

マン＊4 博士は、2011 年のノーベル化学賞をウム（ Y b ）の3 つの元素を組み合わせ、図 2

が、Au-Al-Yb準結晶は極低温に冷やすだ

単 独で受 賞することになった。シェヒトマン

のようなAu-Al-Yb準結晶を作成した（図 3）。

けでそのまま量子臨界状態が現れた。その博士の発見以来、原子がどのように並んでいイッテルビウムを含む化合物は「 重い電子＊5 」

上、圧力を加えてもその量子臨界状態は安るかという準結晶の構造については研究が系とよばれる特 殊 な金 属をつくりやすい。

定に存在し続け、微調整する必要がないよう大きく進み、いろいろなことが理解されるよう固体の中では電子の質量は、真空中の静止

に見えた。

になった。

質量より大きくなったり、小さくなったりする。

次に、この状態が準結晶という第 3の固体

面白いことに、その「 原子のモザイク構造 」

これを有効質量という。軽い有効質量の電子の特徴と関係しているのか調べてみた。同じは、中世イスラムの抽象美術（ たとえばアルの代表物質が携帯電話などに使われる半導ような組成比をもつ図 1のような結晶をつくっ

ハンブラ宮殿の壁面装飾 ）や、数学の問題体である。
「 重い電子 」系の物質の中には、てみたところ、その結晶の中では量子臨界状

磁 性 物 理 学 研 究 室 ウェブ ページ
14

理 の 先 端 をいく Ⅱ結晶では、量子臨界状態は簡単には実現

今回の研究では、
まず、金（ Au ）
とアルミニ

なかった。

図 1 Ybの原子配置のみ示したAu‒Al‒Yb結晶の構造

量子臨界現象現れる

点が物性物理の魅力の 1 つといえるだろう。
＊1 結晶
原子配列の並進対称性が周期的（ 等間隔 ）な固体。
＊2 アモルファス
原子配列が並進対称性をもたない固体。
＊3 準結晶原子配列の並進対称性が準周期的（ 黄金比の等比数列で表される間隔 ）な固体。
（ 本誌 20 号P.4 参照 ）＊4 D.シェヒトマン（ 1941 ̲ ）イスラエルの物理学者。ノーベル化学賞（ 2011 年 ）を受賞。
＊5 重い電子物質中では周囲の影響を受け、強い電子相関のため電子は動きにくくなり、動いている電子の実効的な質量が 1000 倍にも大きくなっているように見える状態。

http://mlbp.phys.nagoya-u.ac.jp/
No.24 spring _ summer 201315

理 の 先 端を いく

Ⅲ

科学の力が広げた日本の海の権利
ウォリス・サイモン 地球環境科学専攻教授

130˚E

35˚N

海岸線から
350海里

海における国の主権とは海底にはメタンハイドレートやレアアースな
どの貴重な未開発資源が豊富に眠っている下と定義した（ つまり、その国の「 排他的経陸棚として組み込まれることとなった。申請の済水域 」の範囲と同じ）。さらに条約は、海底根拠となるのは日本の研究者が調査・収集しの地形や地質が一定要件を満たすことを証てきた海底地形、岩石、重力、磁気などに関ことが近年の調査で明らかになってきた。そこ

明すれば、大陸棚を200海里を超えて延長でする膨大な科学的データである。一見するとで問題になるのは、
海底資源の探査・開発にきるとしている（ 図 1 ）。日本もこれに従って大地味に見える地球科学が国益につながった

関して国の主権が及ぶ海域はどこまでかとい

陸棚延長の申請を行い、審査結果が 2012 年

例である。

うことである。そのような海域を「 国連海洋法

4月に発表された。

条約 」では「 大陸棚 」と呼び、原則、海岸から200 海里（ 約 370 k m ）までの海底と海底申請の結果、日本の国土面積の約 8 割に相当する海域が新たに日本の主権が及ぶ大距離が国の主権の及ぶ範囲である、とされた。当時の技術では、弾丸が届く距離は約 3

35˚N

(MGS)

30˚N

小笠原海台海域

陸地

四国海盆海域60海里

大陸棚2,500m等深線
大陸棚斜面脚部（FOS）

(SKB)

25˚N

・主に花崗岩など低密岩石からなる・不規則な分布を示す磁気の強弱

南硫黄島

25˚N

(OGP)
(MTS)
南鳥島海域

公海
沖ノ鳥島

20˚N

南硫黄島海域(ODR)

・主に玄武岩など高密岩石からなる・規則正しい磁気強弱

(MIT)

15˚N

マントル

15˚N

認められた範囲
九州パラオ海嶺南部海域

審査が先送りされた範囲

(KPR)

マントル

20˚N

米国の海域

沖大東海嶺南方海域

海洋性岩盤

遷移領域

南鳥島

北・南大東島
沖大東島

延長
大陸棚

130˚E

パラウの海域

135˚E

140˚E

海論 」、つまり、海はどの国にも属しないという海に向かって発射された大砲の弾丸が届く

155˚E

茂木海山海域

30˚N

なると、オランダ人によって提唱された「自由考え方が発表された。
さらに18世紀になると、

150˚E

145˚E

200海里

のローマ法王が大西洋をスペインとポルトガ
ルだけに分けたことにさかのぼる。17 世紀に

140˚E

制限線（遠い方を採用してよい）
2,500 m等深線から
100海里

大陸性岩盤

海に関する主権ついての議論は15 世紀

135˚E

145˚E

150˚E

155˚E

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000

水深

0 m

図 2 日本の延長大陸申請に用いられた
主要な国連海洋法条約で定められた大陸棚の限界

図 3 申請によって認められた日本の大陸棚延長

海底の地形、岩盤岩石の組成、磁性などから大陸斜面の範囲（＝大陸斜面脚部 ）を決定し、その点から60 海里の範囲が延長大陸棚となる。ただし、海岸線から350 海里または2500mの等深線から100 海里沖合の線のいずれか遠い方を超えてはならない。堆積物の層厚を用いて延長大陸の延長幅を決定する条件もあるが、日本申請では利用されなかった。

大陸棚延長の申請をした海域は、沖大東海嶺南方海域、九州パラオ海嶺南部海域、四国海盆
海域、南硫黄島海域、茂木海山海域、小笠原海台海域、南鳥島海域の 7 つ。ピンクが日本の大陸棚延長として認められた水域。黄色が審査保留となった水域。赤い線は排他的経済水域境界、
青い線は他国との境界。図は首相官邸ホームページ掲載図を改変。

海里だったが、この基準は近代技術を想定しておらず、近年新しい基準をつくる必要が浮浮き彫りになった大陸棚の姿
大陸棚延長として認められるには、科学的請 書の作 成 準 備をした。25 年 間 蓄 積され南部海域の審査は保留となった（ 図 3 ）。日

目標として1950 年代から法的枠組みの確立な根拠に基づき、その海域の海底は大陸のてきた詳細な海底調査の結果に加え、世界本は勧告を受け入れるのか、それとも再申請に向けた動きが始まり、紆余曲折を経て、海の自然延長である、つまり、海の底であるにも関最深の海底調査が可能な有人潜水調査船するのか、まだ対応を明らかにしていないが、憲法とも言われる国連海洋法条約が 1982 年

わらず陸地と同様の岩盤などの特徴がある、「 S H I N KA I 6500 」をはじめとする多くのその動向が注目される。

にでき上がったのである。

ということを示す必要がある（ 図 2 ）。

国内機関が所有する調査船を用いるなど、

15 世紀から「 海の権利 」に関する考え方

一般に、海洋底を構成する岩盤は、大陸を年間約 100 億円の予算を投入する大規模なは政治的な判断に影響されてきた。しかし、島構成する岩盤より薄くて密度の高い岩石でプロジェクトだった。その結果、日本近海の地

今回は科学的な判断によって日本の海の権大陸棚構成されているおり、また、形成された当時

形、物性、過去のテクトニクスおよび大陸棚の利が認められた。そして、国益を考える上で、の地 球 磁 場を反 映し、規 則 正しい縞 状の分布が今までにない精度で浮き彫りとなった。

基礎科学や最先端の技術を必要とするプロ

延長
大陸棚

磁気強弱を示す。大陸棚延長申請の準備のために、日本は近海の海底の地形、磁性、

大陸棚

重力、地震波速度構造、岩石学的特徴などのデータを集めて分析をした。

200海里
（EEZ）

陸地

3200 ページにおよぶ申請書と筆者

Simon Wallisという抗議が隣国からあり、九州パラオ海嶺

上してきた。世界共通の規定を設けることを

公海

1962年イギリス生まれ。1988年、オクスフォード大学博士号取得。1988年〜1992年、日本学術振興会・EUの特別研究員として京都大学大学院理学研究科に所属。
1992年〜1994年フランス商業銀行金利デリバティブディーラー。1994年、京都大学大学院理学研究科助手。2001年、名古屋大学理学研究科助教授、同年環境学研究科助教授（のち准教授）。2011年より現職。専門は岩石・構造地質学。

離され、厳重な警備がしかれた特別室で申

図 1 排他的経済水域（ EEZ ）、その岩盤となる大陸棚と大陸棚延長の関係広い大陸棚を獲得するために本土から離れた島の存在は極めて重要となる。今回の申請においても、大東諸島、南鳥島、硫黄島、
沖ノ鳥島などの島の存在は大きかった（ 図 3 参照 ）。

ジェクトの一員として参加できたことは、非常認められた大陸棚延長
日本の申請は2008 年 11月に国連に提出され、専門家からなる委員会において検討され国連に提出した申請書の作成を担当した

た。申請した7 海域のうち、4 つの海域についのは海 上 保 安 庁、産 業 技 術 総 合 研 究 所、ては、その一部または大部分の延長申請がJAMSTEC＊1、JOGMEC＊2 などのグループ認められた。しかし、南鳥島および茂木海山だった。私を含 めた作 業 チームは2004 年

海域に関しては認められなかった。また、沖ノから5 年弱をかけて、インターネットから切り

鳥島は（ 条約上大陸棚をもてない）岩である

地 質・地 球 生 物 学 講 座 惑 星 岩 石 学 研 究 室ウェブページ
16

理 の 先 端 をいく Ⅲに新鮮で感慨深い経験であった。

＊1 JAMSTEC
独立行政法人海洋研究開発機構。
Japanese Agency for Marine Science and Technology＊2 JOGMEC
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構。
Japan Oil, Gas and Metals National Corporation

http://mylonite.eps.nagoya-u.ac.jp/
No.24 spring _ summer 201317

理 学 部 交 差点
同 窓 生から

キャンパス通 信「マンガ学 」と地 球 科 学

理学部創設70周年記念講演会を開催

マンガ評論家伊藤剛（Go Ito）

書籍紹介

世界トップレベル研究拠点プログラム『 宇宙に外側はあるか 』

事務部庶務掛長

多元数理科学専攻准教授

成田吉伸（Yoshinobu Narita）

南

分子で世界を変える
トランスフォーマティブ生命分子研究所拠点長

和彦（Kazuhiko Minami）

伊丹健一郎（Kenichiro Itami）

私は現在、大学のマンガ学科の教員としてマンガ家

2013年 1月18日、
理学南館の坂田・平田ホールにて、

世 界はいかにできているのかという疑 問を、人 間

昨年 11月文部科学省がフラッグシッププログラムと志望の学生の指導を行っている。と同時に、マンガと理 学 部 創 設 70 周 年 記 念 講 演 会 が開 催された。

は抱き続けてきた。海の上を進み続けると、そこにはして位置づけている「 世界トップレベル研究拠点プロ

いう視覚表現の内在的なメカニズムの解析が自分の理学部の歴史に名を刻んだ先人から、将来を担う若手

何があるのか。初期ギリシア人は世界は円盤であるとグラム（ W P I ）」に本学の「トランスフォーマティブ生命仕事だと思っている。それは同時に、マンガ実作の研究者・学生に対してメッセージを送るべく、現理学部

考え、その端をオケアノス（ 地の果て）と呼んだ。地球分子研究所（ ITbM ）」が採択された。これまで本プロ

基礎教育メソッドの探究でもある。

執行部により、学内記念講演会としての開催を発意が球形であることを人類が確認したのは、16 世紀のグラムでは国内で6 拠点が採択され、山中伸弥教授されたものである。

ことである。

（ 京都大学 ）のノーベル賞受賞に代表されるように、「 マンガ学 」は新興の分野である。マンガを理解

すでに一定の世界的評価を得ている。

するための言葉や論理の達成は、マンガという表現や

ちなみに70 周年のカウントは、昭和 14 年に設置され古代の人間にとって地球の果てが謎であったよう市場の豊かさに比べて、圧倒的に小さなものである。

た名古屋大学帝国大学理工学部が、工学部と理学部に、現代の我々にとって宇宙の果ては謎である。宇宙分子には科学・技術のあり方を変え、ひいては社会同時にマンガ研究とは「 学 」とは何かという問いを常にに分離した昭和 17 年を起点としている。

を進み続けると、いったい何があるのか、あるいは何をも変容させる力がある。ペニシリン、タミフル、緑色

突きつけられる場でもある。そこでマンガを分析する

講演会は、篠原久典理学研究科長のあいさつにが起きるのか。この本は、宇宙に果てはあるのか、また

蛍光タンパク質G F Pなど、革新的な生命機能分子ためのモデルが必要だと考え、『 テヅカ・イズ・デッド

始まり、濵口道成名古屋大学総長の祝辞が述べら

終わりはあるのかという誰もが抱く疑問を手掛かりに（トランスフォーマティブ生命分子 ）が世界を変えた

ひらかれたマンガ表現論へ 』という本を書いた。私は、れた後、大沢文夫名誉教授による「 昔話と今の想いしながら、宇宙論の現状を丁寧に解説したものである。

例は多い。I T b Mでは、最先端の合成化学とシステム

マンガ家のアシスタントなどを経験しており、マンガの−生きものらしさ」、益川敏英特別教授（ 素粒子宇宙

量子論、大統一理論、ひも理論などの理論的背景、生命科学の融合を通じて、狙った機能をもつトランス

技 術はひととおりわかっているが、人 文 系の学 問は起源研究機構長 ）による「 現代社会と科学 」、野依

そして宇宙の始まりのビッグバン、
インフレーションについフォーマティブ生命分子を生み出すことをミッションとしすべて独学である。それでも、自分の仕事を「ヤクザの良治特別教授による「『 科学立国 』日本を担う学生て説明する。現時点で観測されている銀河、銀河団、ている。究極的には、食糧問題、バイオマス問題、次世

チャンバラ」と自嘲的にいうのが冗談になる程度には、諸君へ 」と続いた。各講演者は、スライドなどを交え、宇宙の泡構造までを順に紹介し、宇宙の果て、ダーク

代イメージング技術など、社会にインパクトを与える

人文系の「 知 」の世界では迎え入れていただいて自身が研究者を志すきっかけとなった幼少期や学生

マター、ブラックホールと宇宙の終わりなど、内容は盛り

科学・技術の重要課題を解決することがゴールである。

いるようである。

時代の話、心に残る恩師の教え、さらには研究設備がだくさんである。数式を使わず専門的な言いまわしを

3 名の海外主任研究者を含めた10 名の主任研究

ここで私が知的な規範として持ちえたのが地球科学

決して恵まれていない状況下での研究の思い出など、避けているが、できる限り正確に説明しようとしている

者を始動メンバーとして、合成化学者と生命科学者がであったことは、僥倖といって良かったのかもしれない。

苦労話も含めた各々の足跡を懐かしみつつ語り、時にことがわかる。

フルスケールのコラボレーションを行う国際研究拠点を

プレートテクトニクスのような、大きなモデルを使って「 いいですか、若い諸君 ！」と会場内に熱い言葉を思考する方法は、とりわけ 1960 年代以降の人文系

投げかける場面も幾度となく見られた。

学問とは相性が良いもののようだからである。

講演者それぞれのもつ、独特の語り口から発せらマンガのようなサブカルチャー批評・研究は、とかくれる言葉は、確固たるメッセージとなって、聴講者を個別の作品・作家の細かい検討と記述に終始しが魅了し鼓舞していたことがわかり、未来に向けて夢のちである。そのなかにあって、私が「 大きなモデル」を広がる講演会となった。

そして理論的に可能な、しかし初期ギリシア人も構築する。また、国内外のさまざまな研究機関や企業

仰天する奇怪な宇宙モデルが次々と紹介される。どれとの連携を通じて、グローバルなバーチャル研究所のが正しいのか観測によって決定される可能性につい核となり、世界を先導することを目指す。

て、著者は決して悲観的ではないように思える。

「 分子をつなげ、価値を生み、世界を変える」。
これが我々の思いである。

導入し得たのは、ひとえに学部生にも課せられた野外調査の現場で、大きなモデルがあってこそ、具体的な食糧・バイオマス
問題解決への突破口

革新的バイオイメージング技術

新しいバイオエネルギー

個別の事象がよく解釈されよりくっきりと見えてくるという体験をしたことが大きかったのではないかと思っている

トランスフォーマティブ生命分子で拓く

植物・動物の次世代システム生命科学（ 1989 年地球惑星科学科卒業 ）。
『宇宙に外側はあるか』
松原隆彦（ Takahiko Matsubara ）著
光文社／ 2012 年 2月発行
780 円（ 税別 ）大沢文夫名誉教授による講演

18

理学部交差点分子活性化化学
最先端の合成化学・触媒化学

システム生命科学
名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所概要

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