高エネルギー天文学のデータを用いた科学教育プロジェクト
田村隆幸 (ISAS/JAXA)

Ｘ線で見た宇宙
Ｘ線天文学入門• Ｘ線で見た宇宙（Ｘ線天文学の紹介）• プロジェクトについて• 実習（図の一部は、宇宙研Ｘ線グループのweb siteから転載しました）– ネット教材 / UDON (すざく衛星のデータ解析)– PC 教材 / 超新星爆発残骸からの
Ｘ線スペクトル
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Ｘ線とは？

Ｘ線の特徴と検出器• エネルギー• 1 keV = 1.2 nm = 1.2 x 107 K• 原子の中の電子の状態の遷移によって発生する電磁波。
• （ガンマ線は、原子核の状態遷移で発生する）。

Ｘ線の透過と吸収– 人体は透過する。
– 何億光年という宇宙空間も透過する。
– （エネルギーの高いＸ線は、）星間ガスも透過する。
– 大気は、透過できない。水素、酸素などによる光電吸収のため。
→ 宇宙空間での観測が必要– 透過・吸収は、原子の柱密度に依存する。

• Ｘ線の発見••– 0.1-10 keV (キロ電子ボルト)– 1895 年 レントゲン• 宇宙からのＸ線の発見•– 1962年 ジャコーニ他（米） → ノーベル賞 （２００２）•• Ｘ線の一般利用– 病院、空港、非破壊試験でのレントゲン– 蛍光Ｘ線分析 （例 惑星探査)– X 線回折による分子・結晶構造の研究
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ガス比例計数管– 気体＋Ｘ線 ＝ Ｘ線エネルギーに比例した数の電子半導体検出器 (Si/CCD)– エネルギー分解能が良い
カロリーメーター– Ｘ線による微弱な温度上昇を測定する。
– 超低温 (~50 mK)の環境で動作– 数 eV のエネルギー分解能– ASTRO-H (2013~)に搭載予定
4「すざく」衛星
日本で５番目のＸ線天文衛星

Ｘ線望遠鏡• Ｘ線を普通の物質で反射、屈折することはほとんどない。
• 浅い角度（1-2度以下）で入射すると全反射する。
• 金やプラチナなどの反射率の高い薄膜を多層に重ねる （多層薄膜型）。
• 最高の空間分解能：• 2005/7/10に、JAXA M-Vロケットにより近地球軌道に打ち上げ。
JAXA+国内の大学+NASA+• 6.5m, 1700 kg– チャンドラ衛星 ~0.5秒角© NASA

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Ｘ線で見た宇宙6

超新星爆発: Cas-A~ 320年前の爆発

太陽・星

Hinode (©
JAXA+NAOJ)

Mitsuda et al. 2007

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© NASA/chandra

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銀河のプラズマ

X-ray: NASA/UMass/Q.D.Wang et al.;
Optical: NASA/STScI/AURA/Hubble
Heritage;
Infrared: NASA/JPL-Caltech/Univ.
AZ/R.Kennicutt/SINGS Team )銀河団のプラズマ

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Ｘ線スペクトルの例© NASA/chandra

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時間変動(ライトカーブ)
活動的な天体活動銀河核/巨大ブラックホール周辺の降着円盤からのＸ線ライン

原始星からのＸ線フレア/ Chandra、坪井他
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Ｘ線で宇宙を見るとＸ線観測データの特徴• 熱い （1000万から１億度）– 太陽コロナ• 活動的 （時間変動）• 極限エネルギー– ブラックホール• 他の波長では見えない物質• 宇宙の大規模構造・宇宙論的な観測– Ｘ線背景放射 (= 遠方の活動銀河核)– 銀河団高温プラズマ– ガンマ線バースト

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darts.jaxa.jp/classroom

Ｘ線を波としてではなく、光子（イベント）として、一つ一つ、そのエネルギー、場所、時間などを測定する。

すざく 1st Step マニュアル @ 理研/ISAS より転載

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共同作業者
協力メンバー
参加メンバー
平林 久 （ JAXA/宇宙教育• 長瀬 文昭神奈川大学・ISASセンター ）古田 豊 （立教大新座）
ISAS• 海老沢 研林 壮一 （立教大新座）• 松崎 恵一
ISAS
綾部 俊二 （立教大新座）
ISAS• 田村 隆幸
吉田 清典 （立教大池袋 ）• 辻本 匡弘
ISAS
野口 語 （相模原高校 )• 馬場 彩ISAS
川端（相模原高校 ）• 北本 俊二
立教大学
宮脇 亮介 （桜美林大学 ）• 矢治 健太郎 立教大学
沢田（立教大学部• 村上 弘志
立教大学生; 08FY 卒業）
岩本 ひとみ（立教大• 吉田 篤正
青山学院
大学
学部生; 08FY 卒業）
吉田 鉄生 （東京理科大院• 宇野 伸一郎 日本福祉大学生）
馬場 亮輔 （東京理科大院• 松下 恭子
東京理科大学生）
菅原 泰晴 （中央大院生）• 坪井 陽子中央大学
戸塚 晃太 （中央大院生）• 飯塚 亮 （中央大学）
朝岡育子 (東海大)• 久保田 あや 芝浦工業
篠原秀雄 (埼玉県立蕨高大学等学校)
八木橋 （立教 4年)
鵜沢 （中央大院生）
楠 （中央大院生）

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Ｘ線のデータを利用する利点

PAOFITSとの比較PAOFITSDARTS/classroom

目的

FITS画像を教育に活用する 。

内容・特徴

天体データを単に鑑賞するのではなく、研究に用いられている本格的な観測画像を主体的に解析処理する

主に利 国立天文台
用デー (SMOKA)や公開
タ
天文台の可視光データ（画像・スペクトル）
対象

宇宙研のＸ線デー
タ（イベント、画像、スペクトル）
DARTS

教育系大学、中学 現在の所、高校校・高 校、博物生から大学生
館・科学館、公開
天文台

17• 大部分のデータが、同じ観測環境で取得されている。較正がされたデータが公開されている。また、データフォーマットが、複数の衛星間で比較的に統一している。
（Ｘ線を専門とする研究者にとっては）解析が比較的に容易。
• 大量のデータが一般公開されている。 例えば、あすかは、4000天体、すざくは、1000天体近くが公開されている。
• 他の波長では、体験できない高エネルギー現象を学習することができる。いろいろな階層の天体のデータが揃っている。惑星から宇宙の大規模構造、宇宙の果て18まで。

今後の課題 (1)
教材としての品質

課題一覧• 教材の試験、実践、外部レビュー。
• 「教材だけで学習する」のは容易ではない。学習指導者向けの説明、およびワークシートが不十分。
• 基礎物理（放射、吸収、エネルギー保存）の説明が不十分。
• データ解析の基本概念の説明が不十分。対数、頻度分布、微分・積分、誤差など。
• 実際のデータを解析すると、結果は必ずしも想定しているモデルどおりにはならない。不定性、誤差の説明が不十分。
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• 当初は、宇宙研のデータ（あすか、すざく、ひので）を主に用いる計画であったが、3/8課題は外国の衛星データを主に利用する。
ユーザにとってはどちらでも構わないかもしれない。
• 英語でも公開して、ユーザの数を増やしたい。
• バリアフリー対応。
• CD、解説書の作成。

21• 外部から提供されているソフトに依存している。そのため、versionの違いによる機能の違い、日本語と英語版の違いがありうる。
現在の教材では、以下を利用している。
- fv (NASA/HEASOFT)
windows版の実績が不足- ds9 (cfa) # windows版の実績が不足- エクセル- マカリ (TBD) # Ｘ線データ向けではない？
• （開発体制） プロジェクト管理・教材編集作業の効率化。現在は、メールベースで情報交換。使いやすい「コラボレーション環境」が欲しい。
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今後の課題 (2)データ解析環境・開発環境• 教材の開発者は、主にUNIX/Macを利用、一方、教材は、Windows/XPでの利用を想定している。windows上でのデータ処理は、実績が少なく、また必ずしも効率的でない。Windowsのversion upをフォローできるか？
windows上で本格的なデータ解析ができるか？
• PCの環境によっては、動かない、動作が遅い場合がありうる。
• 全ての解析がブラウザー(サーバ)上で動けば良いか？ (解析環境のクラウド化)
参考： darts/udon (using22FLASH)