ガンマ線バースト探査衛星計画 HiZ-GUNDAM－3－

ガンマ線バースト探査衛星計画 HiZ-GUNDAM
津村耕司（東京都市大学）
ことがわかります。同様に、昼側にいた衛星

1. はじめに
私たちは、宇宙最大の爆発現象であるガンと地球の影となっている夜側にいた衛星がほマ線バースト（Gamma-Ray Burst, GRB）をぼ同時にガンマ線を検出したことから、太陽探査するための天文衛星 HiZ-GUNDAM（ High-からのガンマ線ではないこともわかります。

z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark

この GRB の発見は、発見後 5 年間は軍事機Ages Mission）の開発を進めています。本稿で密扱いで、1973 年になって初めて公開されまは、観測対象である GRB を紹介したのち、した[1]。

HiZ-GUNDAM 衛星の構成や GRB 探査を通して目指すサイエンスについて紹介します。

2.3

GRB の位置・距離の推定（1）GRB の位置決定の困難さ
新たに発見されたこの GRB という天文現2. ガンマ線バースト（GRB）
2.1

象の正体を探るためには、まず GRB というGRB とはGRB とは宇宙最大の爆発現象です。ガンマ

爆発現象の規模を推定する必要があります。

線で数秒から 100 秒程度明るく輝く「即時放観測されるのはガンマ線の「見かけの明るさ」

射」の後、X 線から赤外線で数日明るくなるなので、そこから爆発の規模を推定するため「残光」を伴います。この GRB の 1 天体にには、GRB までの距離情報が必要です。しかよる明るさは、恒星を 1000 億個も含んだ銀し、GRB までの距離どころか、ガンマ線の到河全体よりも明るくなります。

来方向、すなわち GRB の天球面上での位置

GRBには 2 種類あることが知られています。 さえも決定することが困難でした。ここでは即時放射が 2 秒以上の「長時間 GRB」と、2GRB の天球面上での位置や距離の推定につ秒以下の「短時間 GRB」です。前者は大質量いて、特に重要な幾つかの成果について紹介

星の重力崩壊に伴う爆発で、後者は中性子星します。

連星の合体に伴う爆発だと考えられています。
（2）惑星間空間時間差法
2.2

ガンマ線は宇宙空間を光速で伝播するので、GRB の発見

GRB は 1960 年代の米ソ冷戦の中で偶然に地球を周回する複数の人工衛星で GRB を検発見されました。地球上で核実験を行うとガ出すると、その検出時刻がわずかに（0.1 秒以ンマ線をはじめとする放射線が放出されます下）ずれます。そこで、GRB を検出した複数が、それを宇宙から監視する事が目的の人工の人工衛星の位置と、検出した GRB の時間衛星ヴェラが米国によって複数機打ち上げら差から、おおまかなガンマ線の到来方向、すれました。そのヴェラが、1967 年に地球外かなわち GRB の天球面上での位置が求まりまらのガンマ線を検出したことが最初の GRBす（図 1）。ただし、複数の人工衛星での検出の発見でした。地球の表側にいた衛星と裏側時間差を求めるためには、それらの衛星に搭にいた衛星がほぼ同時にガンマ線を検出した

載された時計が精度良く同期されている必要ことから、地球表面からのガンマ線ではないがありますが、GPS もない 1960-70 年代当時

天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

－4－■

特集：関東支部会 ■ではそれが非常に困難でした。また、各衛星のデータを地上に下ろしてからの解析となる
ため、GRB の位置が決定されるのは、GRB発生からだいぶ時間が経ってから（おおよそ１ヶ月後など）となってしまっていました。

図 2

コンプトン衛星が検出した 2704 個のGRB の天球面上分布[4]。天球面上に一様に分布している。
（4）ベッポサックス衛星と GRB970228
GRB までの距離推定に決定的な役割を果たしたのが、イタリアとオランダが開発した惑星間空間時間差法による GRB 位置決

ベッポサックス衛星と、1997 年 2 月 28 日に定法[2]。2 機の衛星の検出時間差から、GRB発生した GRB970228 でした。ベッポサックの方向は天球面上のある円上に制限される。

ス衛星は GRB からの（ガンマ線ではなく）X

図1

同様の解析を他の衛星ペアで実施することで、 線を観測することで、この GRB の位置を 0.1円の交点として GRB の位置を決定できる。

度以下の精度で決定しました。さらに地上からの指令で衛星を即座に GRB 発生方向に向けてより詳細に観測することで、GRB 発生か（3）コンプトン衛星
GRB の位置が決定できないこともあり、しら数時間以内に 3 分角以下の精度で位置を決ばらくは GRB の研究に目立った進展がない定しました[5]。GRB 発生からこんなに短時まま時が過ぎていた中、NASA が 1991 年に間にこれだけの精度で GRB の位置が決定でコンプトン衛星を打ち上げました。コンプトきたら、地上の望遠鏡で追観測が可能です。

ン衛星は、総重量が 17 トンもある世界最重

カナリア諸島のラ・パルマにあるウィリアム・量の科学衛星で、8 台もの巨大なガンマ線検ハーシェル望遠鏡（口径 4.1m）等で GRB 発出機を衛星上で色々な向きに配置することで、 生から数時間後に観測した結果、GRB の発生どの検出器でどれほどの強度でガンマ線を検位置に可視光で明るくなった天体が発見され出できたかという情報から、ガンマ線の到来ました（図 3）[6]。これが GRB 残光の初発方向を 1 度程度の精度で決定しました。コン見でした。後にこの銀河は赤方偏移が 0.695、プトン衛星は毎日 2-3 個の GRB を検出し、すなわち約 81 億光年彼方の銀河であるとわ合計で 2704 個の GRB を検出しました。そのかりました[7]。この観測の意義は、GRB の発GRB の天球面上の分布を表したのが図 2 で生源は遠方の銀河であること、そしてその銀す。全天にほぼ一様に GRB が分布している河は GRB 発生直後なら明るい残光によって[3]ことから、GRB は銀河系内の円盤内に存可視光の地上望遠鏡でも追観測可能であると在する天体ではなく、銀河系を取り巻くハロ分かったことです。

ーに存在するか、あるいはもっと遠方の宇宙に存在するか、ということになります。

GRB までの距離がはっきりしたので、GRBの爆発の規模が推定できるようになりました。

天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

ガンマ線バースト探査衛星計画 HiZ-GUNDAM－5－

数 10 億光年という遠方で発生しながらも明ます[8]。ただし、JWST がいくら高感度だかるく観測されるということから、GRB は宇宙らといっても、これほど遠方にあっても観測最大規模の爆発現象であると認識されたのでされる銀河は、その時代においては例外的にす。

重く明るい銀河に限定されてしまいます。これを「観測バイアス」と言います。具体例を挙げると、例えば日本にいる人々を観測する
際、「体重 150kg 以上」の人しか観測できないという観測バイアスがあると、観測される人間の多くは相撲取りとなってしまい、そのような観測バイアスのもとに研究を進めると、「日本人の多くは髷を結っている」という誤

図3

初めて検出された GRB970228 の残光[6]。 った結論を導くことになってしまいます。し左が GRB 発生直後の 2/28 の画像で、右が 3/8

たがって日本に住む人の性質を正しく理解すの画像。残光は OT と表記されている。

るためには、大人から子供まで体重によらず無バイアスに観測することが重要なのです。

2.4

長時間 GRB は大質量星の最期の爆発です。

現在の GRB 観測の状況

ガンマ線バーストを監視する衛星として現大質量星は重く明るい銀河だけでなく、暗く在は、2004 年に打ち上げられたニール・ゲー

小さな矮小銀河にも含まれています。このよ

レルス・スウィフト衛星が活躍しています。

うな暗く小さな銀河が遠方にあっても JWST

スウィフト衛星は GRB を検出したら 90 秒程での単体での検出は困難ですが、その銀河で度でその方向に衛星を向け、詳細観測してGRB が発生すると、それを検出することが可GRB の位置を決定し、地上にその情報を送る能です。すなわち、GRB を通して遠方の初期までを、GRB の検出から 1 時間程度で、全て宇宙を銀河の質量によらず無バイアスに探査自動で行います。また地上側でも、スウィフすることができるのです。

ト衛星からのアラートを受けたら即座にそちらの方向に向けて観測を開始するロボット望遠鏡が運用されており、成果をあげています。

（2）極限時空探査
HiZ-GUNDAM 衛星のもう 1 つの科学目標である「極限時空探査」は、中性子星連星が3. HiZ-GUNDAM 衛星計画について衝突合体することによって生じる短時間3.1

GRB に関するものです。実はこのような現象

HiZ-GUNDAM 衛星の科学目標

が 2017 年 8 月 17 日に実際に観測されまし（1）初期宇宙探査
HiZ-GUNDAM 衛星は 2 つの科学目標を掲た。2 つの中性子星が合体すると重力波が放げています。そのうちの一つが「初期宇宙探出され、ブラックホールが生成されます。こ査」です。天文観測は１種のタイムマシンでの時に放出された重力波が、アメリカのあり、遠方を観測すれば昔の宇宙の姿が見えAdvanced-LIGO と欧州の Virgo という重力ます。すなわち、誕生直後の宇宙の様子を知波観測装置で検出されたのとほぼ同時に、フりたければ、遠くの宇宙を観測すれば良いのェルミ衛星が同じ場所から短時間 GRB を検です。最近では JWST によって赤方偏移 16.4出しました[9]。これにより、短時間 GRB は（136 億光年かなた）の銀河も発見されてい中性子星連星の合体で生じることが確定しま

天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

－6－

■

特集：関東支部会 ■した。そして地上の望遠鏡が一斉にその方向どの大型望遠鏡が観測をすることになります

を追観測したところ、可視光から赤外線にか[11]。しかしその頃には GRB 発生からだいぶけて明るく輝く「キロノヴァ」という現象が時間が経ってしまっているため、GRB 残光は観測され、金や白金などの重元素が生成されだいぶ暗くなってしまっています。すなわち、宇宙空間に撒き散らされていることが確認さ発見した GRB について全てが追観測できてれました[9]。この観測から、重力波の検出がいるわけではないため、初期宇宙で発生したきっかけとなり、ガンマ線から X 線、可視光、貴重な GRB の多くが見逃されている可能性

赤外線、電波に至る電磁波の全波長で協調しがあることに加え、追観測の結果、初期宇宙て観測を行う「マルチメッセンジャー天文学」で発生した貴重な GRB だとわかっても、すの幕が開けたと言われています。

ばる望遠鏡などの大型望遠鏡が追観測に乗りこのように、短時間 GRB を観測すること出す頃には、GRB 発生から時間が経過してしで、中性子星が衝突合体してブラックホールまっているため暗くなってしまっている、とができる瞬間という極限時空の環境下でどのいうのが現状の問題点です。

ようなことが起こっているのかを調べることこれを解決しようとするのがHiZ-GUNDAM衛星です。HiZ-GUNDAM 衛星は、GRB を探ができるのです。

査する「広視野 X 線モニター」に加えて、発3.2

HiZ-GUNDAM 衛星の観測戦略

見した GRB を追観測して赤方偏移を決定す

現在の GRB 観測では、スウィフト衛星なる「可視光・近赤外線望遠鏡」も搭載されてどが検出した GRB の位置を即座に地上にアいるというのが、今までの衛星にはない新しラートし、それを受けた地上望遠鏡が追観測い特徴です[12]。広視野 X 線モニターで GRBを行う、という戦略で観測が進められていまを発見すると、衛星は自律的に姿勢を変更し、す。しかしこの観測戦略には一つ大きな問題

可視光・近赤外線望遠鏡で赤方偏移を測定しがあります。追観測の成功率の低さです。例ます。これにより、発見した GRB に対してえば地上のある望遠鏡での追観測の成功率をほぼ 100%の追観測が実現できます。そして、概算してみます。（1）発生した GRB の位置

GRB 検出から 1 時間以内に、赤方偏移（GRBが地球の夜側である確率が 1/3、（2）その望までの距離）付きで地上にアラートを発出し遠鏡からみてその GRB が観測可能な高さにます。これにより、その GRB が初期宇宙である確率が 1/3、（3）その望遠鏡のある場所発生した貴重な GRB かどうかがアラート時がその時に観測可能な天候状態にある確率が点でわかるので、初期宇宙で発生した貴重な4/5、とすると、追観測可能な確率はこれらのGRB に対して、アラート受信直後にすばる望掛け合わせで約 8.9%となりますが、現実の成遠鏡などの大型望遠鏡で追観測を行うことが功率はこの半分程度となっています[10]。

可能となります。これにより、今まで見逃さまた、GRB を検出した時点ではその GRBれていた貴重な GRB の多くを取りこぼさずまでの距離は不明で、その GRB の残光を地に観測できるようになると期待されます。

上の望遠鏡で追観測して赤方偏移を測定して初めて距離が求まります。この最初の追観測

3.3

は小型や中型の望遠鏡が行い、それで「この（1）衛星システムと軌道

HiZ-GUNDAM 衛星の構成と開発状況

GRB は 遠 方 の 初 期 宇 宙 で 発 生 し た 貴 重 な

HiZ-GUNDAM 衛星は、JAXA 宇宙科学研

GRB だ」と分かって初めて、すばる望遠鏡な究所の公募型小型衛星 5 号機の候補として、

天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

ガンマ線バースト探査衛星計画 HiZ-GUNDAM

図4－7－

HiZ-GUNDAM 衛星のイメージ図

2030 年頃の打上げを目指して開発中です（図（3）可視光・近赤外線望遠鏡4）。衛星の質量はおよそ 440kg で、イプシロ可視光・近赤外線望遠鏡は、発見した GRBンロケットでの打上げを想定しています。軌の赤方偏移（距離）を測定するために、可視道は昼夜境界線上の太陽同期極軌道（ドーン

光から近赤外線の 5 バンドで同時測光観測をダスク軌道）です。この軌道にすることで、行います[10]。そのため、まずはダイクロイ

常に夜側の GRB を探査できることと、望遠ックミラーで可視光と近赤外線に分割し、近鏡の冷却にとって有利であるという利点があ赤外線についてはさらにダブルケスタープリります。衛星の設計寿命は３年です。

ズム[13]にて 4 バンドに分割することで、可視光検出器と近赤外線検出器の 2 つの検出器で 5 バンドの同時測光観測を実現させます。

（2）広視野 X 線モニター
広視野 X 線モニターは、ロブスターアイ光

また、近赤外線で高い感度を達成するため学系というものを用います（図５）。これは、に、望遠鏡は 200K 以下、近赤外線検出器は小さな筒状の構造が並んだもので、その内壁120K 以下に冷却する必要があります。こので X 線を反射させることで、X 線を集光するような冷却望遠鏡を他の装置と一緒に共存さ光学系です。HiZ-GUNDAM では、このロブせることは熱構造設計的に装置開発の一つのスターアイ光学系を 16 台搭載し、それぞれ大きな課題となっています。

が別方向を監視するように配置することで、広視野の GRB 探査を行います。

図5

広視野 X 線モニター

図6

可視光・近赤外線望遠鏡

天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

－8－■

特集：関東支部会 ■を目指して HiZ-GUNDAM 衛星の開発を進（4）開発状況
HiZ-GUNDAM 計画は 2012 年に JAXA 宇めています。

宙科学研究所内にワーキンググループを設立

本稿は 2023 年 6 月 21 日に実施された日して以降、検討を進めてきています。2018 年

本天文教育普及研究会関東支部茶話会での講1 月に JAXA 宇宙科学研究所の公募型小型計演に基づくものです。

画としてミッションコンセプト案を提案し、採択されました。その後、国際審査などを経文て、2021 年末に JAXA 宇宙科学研究所内の[1] Klebesadel, Strong & Olson (1973), ApJ,プリプロジェクト候補となり、衛星メーカー

献
182 : L85

を交えての概念検討を開始しました。現在は、[2] 村上敏夫 (2014)『宇宙最大の爆発天体ガ

公募型小型衛星計画 5 号機として選定される

ンマ線バースト』, 講談社ブルーバックス

ことを目指して審査を受けている段階です。

[3] Meegan et al. (1992), Nature, 355 : 143

これに選定されれば、2030 年頃の打ち上げに[4]https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/b向けて開発が進められることとなります。

atse/[5] Costa et al. (1997), Nature , 387 : 783[6] van Paradijs et al. (1997), Nature, 386 :4. まとめGRB は宇宙最大の爆発現象であり、その発生メカニズムを観測的に探ることは、ブラックホール誕生の瞬間といった極限時空における物理を理解するためのツールとなります。
また、GRB の際立った明るさから、遠方（初686[7] Bloom, Djorgovski & Kulkarni (2001),

ApJ, 554: 678[8] Donnan et al. (2023), MNRAS, 518 :6011

期宇宙）で発生した GRB でも観測できる可[9] Abbott et al. (2017), ApJL, 848 : L12

能性があり、GRB は初期宇宙を照らすキャン[10] Tsumura et al. (2020), Proc.SPIE,ドルにもなります。このような GRB の特性を活かして、GRB 観測を通した「初期宇宙探査」と「極限時空探査」を目標とする衛星計画が HiZ-GUNDAM です。広視野 X 線モニターで発見した GRB に対して、衛星姿勢を自律的に変更し、可視光・近赤外線望遠鏡で追観測することで、発見したほぼ全ての GRB

11443 : 114430R[11] 河 合 誠 之 ， 青 木 賢 太 郎 & 戸 谷 友 則(2007), 天文月報 , 100 : 17[12] Yonetoku et al. (2020), Proc.SPIE,11444 : 114442Z[13] Greiner & Laux (2022), CEAS Space

Journal, 14 : 253に対して赤方偏移（距離）情報を付加して 1時間以内に地上にアラートを発出します。これにより、「 初期宇宙で発生した貴重な GRB」
に対して、地上もしくはスペースの大型望遠鏡での詳細観測を、GRB 発生直後の残光がまだ明るいうちから観測を開始することができるようになり、GRB を通した初期宇宙と極限時空の研究を大きく発展させることを目指しています。私たちは 2030 年ごろの打ち上げ
天文教育 2023 年 9 月号（Vol.35 No.5）

津村 耕司