観測ロケット実験 FOXSI-4
成影 典之（国立天文台）

NASA やJAXA がかかわる 日米共同 の 観測ロケット実験
国立天文台 が日本の代表機関

2024年春 の実施

出器 le検S
太陽フレア からの X線光子1個1個 を 最新技術 CMtOem on moduーSys
ンタリを用いて 世界で初めて 観測する 宇宙ミッション
3Dプなど
属
金
科学成果は Nature・Science も狙える!!

大学院生も参加 できる!!!
自分で作り上げたものが 宇宙に行って戻ってくる

ロケットの打ち上げ アラスカ にも立ち会え 国際的な仲間 もできる
SPring-8 や マーシャル宇宙飛行センター など世界第一級設備も使用
企業とも一緒に 一昨年のツアーから2名の学生さんが進学・参加

FOXSI-3 flight on 7 September 2018 （動画）の成功を受けていよいよ太陽フレアを観測するロケット実験 FOXSI-4

2024年春の打ち上げ！！
2

FOXSI-3（2018年打ち上げ）で取得した軟X線データ
毎秒 250 枚の高速連続撮像 (4 ミリ秒露光)

1秒間に250枚の撮影
時間発展

画像 （点描画法の要領で）エネルギー
約6分間の飛翔中に観測した約1千万個のX線光子で描いた太陽3太陽X線観測の種類（画像が取得できる観測）

すだれコリメーター【軟X線帯域】
X線ミラーとCCDカメラ

狙うべき観測空間
分解能

時間
分解能エネル
ギー
分解能

×

△

○

○

○

○

○

×

○

○

○

○

ダイナミックレンジを確保した上で、空間・時間・エネルギーの情報を同時に得る!!

観測データ
エネルギー毎の画像(RHESSI)【硬X線帯域】

ダイナミックレンジ

広帯域フィルターでの撮像（「ようこう」 軟X線望遠鏡）

4高エネルギーX線の分布
FOXSI-3のデータをお見せします。

5

Focusing Optics X-ray Solar Imager (FOXSI)
太陽Ｘ線を直接集光する観測実証ロケット実験• NASA の観測ロケットを使用(Low Cost Access to Space の枠組み)• 高度100km以上で、5分間強の観測が可能• 全長 2m 強の観測装置が搭載可能• 1秒角以下の姿勢制御が可能• 再利用が可能• FOXSIは、過去3度飛翔に成功

FOXSI-1
2012年

FOXSI-2
2014年

FOXSI-3
2018年

FOXSI 2nd launchWhite Sands Missile Range
New Mexico - USA
Dec 11, 20146see colour scale) of two active regions taken with Hinode/XRT (sensitive toflaring activity during the time interval, and was selected for the analysis.
The GOES lightcurve is for the full Sun, and the XRT and FOXSI lightcurves
tion statistical errors. The gaps in the FOXSI-2 lightcurve show the intervals
image in a.

FOXSI-2: 2014年12月11日 の成果はlaunch of FOXSI(FOXSI-3),
the Nuclear Spectroscopic
Telescopeに掲載（NatureAstronomy
Ishikawa et al. 2017）
Array (NuSTAR) spacecraft and a potential future solar-dedicated16

mission that is in the early stages of development.

Methods

Coronal DEMs are usually evaluated by EUV and SXR observations7,17,18. Because
intensities of the EUV lines sensitive to high temperatures (~10 MK and above; forexample, Fe xxiii and Fe xxiv lines with sensitivity peaks at 10–20 MK) are weakin the absence of large flares, only a few detections of those lines in quiescent active
regions have been reported. The few positive reports19 are based on multi-filter
SXR observations by the XRT, especially using the thick filters. However, the XRT
uncertainties are large in the temperature range of flare-heated plasma20, and so
the high-temperature components are poorly constrained without the additionaluse of bremsstrahlung HXRs. The primary solar HXR instrument is the RHESSI
spacecraft, which has never detected significant emission localized in individualquiescent active regions due to limited sensitivity. In the case of ref. 19, follow-on
work using RHESSI’s non-detection was used to significantly constrain the hotplasma present12. In this case, RHESSI supplies only an upper limit, and the hot1022

DEM (cm–5 K–1)

b 10

7–9 keV

Hinode1020
1018∝ T –12FOXSI1016

HXR (counts s–1 keV–1)a

非フレア領域での超高温成分（1000万度以上）の発見

11014
2

3

5
1020
Temperature (MK)4567 8Energy (keV)

9 10Fig. 2 | Estimated DEM and HXR spectrum of the quiescent active region.
a, Estimated DEM of the quiescent active region from FOXSI-2 andHinode/XRT observations, and loci curves for observed quantities.
27

FOXSI シリーズの発展

観測対象

FOXSI-1 (2012)FOXSI-2 (2014)

FOXSI-3 (2018)

FOXSI-4 (2024)

静穏領域

活動領域
静穏領域

活動領域
静穏領域

太陽フレア

軟X線
0.5〜10 keV

観測波長
硬X線
5〜30 keV

望遠鏡

検出器

7 shells x 7 modules

Si (7.7 arcsec) x 7[for hard X-rays]

10 shells x 2 modules
7 shells x 5 modules(10 shells + blocker) x 1(7 shells + collimator) x 2 high resolution optics x 5
10 shells x 3 modules
10 shells x 2 modules
7 shells x 1 modules

CdTe (6.7 arcsec) x 2
Si (7.7 arcsec) x 5[for hard X-rays]

CdTe (6.7 arcsec) x 2
Si (7.7 arcsec) x 4[for hard X-rays]+
CMOS (1.1 arcsec) x 1[for soft X-rays]

CdTe (6.7 arcsec) x 5[for hard X-rays]+
CMOS (1.1 arcsec) x 2[for soft X-rays]

FOXSI-4 計画は、2020年7月、最高評価（Excellent の評価）で NASA に採択
2021年9月、JAXA 宇宙科学研究所 2020年度小規模計画に採択

8科学目的X8.2-Class Solar Flare, Sep 10, 2017

新しい観測技術の実証【1】世界初となる太陽フレアのX線集光撮像分光観測を成功させる。
新しい科学成果の創出【2-1】観測から、太陽フレア領域全体の温度構造を精確に評価する。
【2-2】観測から、太陽フレア領域全体にわたって加速された電子（非熱的成分）を探索する。
【2-3】観測から、太陽フレアで解放されたエネルギーや加速された電子の伝搬を追跡する。
【2-4】観測と数値計算の両輪で、太陽フレアにおけるエネルギー解放・変換過程を精査する。
新しい研究手法の普及【3】 取得した観測データや解析用ソフトを公開し、この新しい観測手法を普及させる。

9

FOXSI-4 の科学意義
磁気再結合が引き起こす磁気エネルギーの解放とそれによって生じるエネルギー変換機構の追究

磁気エネルギー
プラズマの塊の運動
エネルギー

磁気再結合
熱エネルギー

加速粒子の運動エネルギー

10

11

FOXSI-4 の科学意義
磁気再結合が引き起こす磁気エネルギーの解放とそれによって生じるエネルギー変換機構の追究
磁気圏・電離圏の擾乱プラズマの塊

惑星間空間

CME
ジェット

宇宙天気
加速粒子の運動エネルギー

衝撃波

加速粒子太陽表面付近
磁気エネルギーダウン
フロー
プラズマの塊の運動
エネルギー

磁気再結合

放射
エネルギー

終端衝撃波

プラズ
モイド衝撃波加速？

プラズモイド加速？
熱エネルギー

高温プラズ
マの溜り場

どの様に粒子は加速されるのか？

フレア
ループなどどの様にプラズマは加熱されるのか？

熱エネルギー

統計加速？
電場加速？

コロナ加熱

粒子加速

加速粒子の運動エネルギー

フレアループ
での閉じ込め加速粒子

彩層蒸発

X線で可視化された
太陽フレア
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観測に対する要求• 高温および非熱的プラズマを検出可能なこと• プラズマの物理量を空間・時間分解して取得できること
観測方法• X線用ミラーと高速度カメラを用いた光子計測型・集光撮像分光観測• X線帯域 : 高温および非熱的プラズマを観測するため• 連続光成分 : 急激な温度変化に対する素早い反応• 輝線 : プラズマに対する豊富な情報を含む• ミラーを用いた集光撮像 :高いダイナミックレンジと空間分解能を確保するため• 高速度カメラ : 時間分解能を確保するため• 分光 （エネルギー分解）: 物理量を取得するため

photon flux
[photons/cm2/s/sr/keV per unit emission measure]

科学目的を達成するための太陽フレア観測
10-12

10MK

10-14

Nonthermal

10-16

10-18

101MK-20

10-22
0.1

1.0
energy [keV]

ダイナミックレンジを確保した上で、空間・時間・エネルギーの情報を同時に得る!!（世界初）

10.0

14

FOXSI の装置の概要
太陽フレアに対するX線集光撮像分光観測「高精度X線集光ミラー」と「X線用高速度カメラ」を組み合わせた望遠鏡で実施する[日本] X線用斜入射ミラー（FOXSI-4から）

15

観測装置のキー技術（太陽フレア観測に向けた改良）
コリメーター
Off-axis photons

Wolter-I Figure

On-axis photons
Off-axis photons

Off-axis photons
On-axis photons
反射鏡支持上面部

Off-axis photons

Paraboloididrbolo
Hype

210 mmFlare here

空間分解能の目標 (cf. FOXSI-3)• <10” HPD (ç 25” HPD)
• <4” FWHM (ç 5” FWHM)

Focal plane

高精度電気鋳造X線ミラー

Double reflected photons
Single reflected photons [H]Single reflected photons [P]反射鏡支持側面部

反射鏡反射鏡支持下面部
図: 高精度反射鏡機構の試作品デザイン (左) と外観写真 (右)目標 (cf. FOXSI-3)• アスペクト比 1:270 (ç 1:190)• 穴の直径 0.7 mm (ç 1 mm)
分角レベルの Off-axis photon （迷光）を除去するための高いアスペクト比をもつ多孔構造 à 金属3Dプリンターで造形

16

観測装置のキー技術（太陽フレア観測に向けた改良）
軟X線観測用 CMOSカメラ硬X線観測用 CdTe カメラ

CMOS カメラ (cf. FOXSI-3)
25 um厚 の完全空乏化した感受層 (ç 4 um)• より高いエネルギーのX線に対する感度向上• X線に対する耐性

CdTe カメラ (cf. FOXSI-3)• 位置決定精度の向上 ( ~30 μm ç 60 um)• 検出速度の向上 (~5 k events / s / detector ç
500 events / s / detector )汎用性に留意し開発中
シリアル イーサネット
通信用
USB↑ 裏面照射型CMOS検出器 FM品↓ 軟X線カメラ用ボード

USB
PCI
expressコネク
ターLinux、
FPGA用
SDカード

FOXSI-4 CMOS検出器用
I/Oボード→ 硬X線カメラ用
FPGAカードとハウジ
ング

SOM Kria K26SpaceWire↑ FOXSI-4 CdTe DSD
FM品

SSD or10G イーサ
ネットカード17

打ち上げオペレーション（ポーカーフラット観測ロケット打ち上げ場）

2024年春Prediction ofsolar flares Kusano+ 2020

Nishizuka+

18

大学院生も参加
総研大、東京大学、カブリIPMU、名古屋大学

SPring-8 での検出器の評価実験

19太陽X線グループ
https://xray-sun.jp/

20

21

大学院生の2022年度前期のスケジュール

22

研究テーマ• 佐藤• 装置開発：コリメータ• データ解析：FOXSI-3観測データのアライメント、DEM解析、FOXSI-3の観測データ解析• 数値計算：MHD+テスト粒子計算• 清水• 装置開発：CMOS検出器、カメラ• 機械学習：CMOS検出器の評価• データ解析：FOXSI-3の観測データ解析• 加島• 装置開発：pixelated-attenuator（NASA開発）• データ解析：FOXSI-3の観測データ解析
23

24

FOXSI全体では、8名の大学院生が参加
先週行ったFOXSIのデータ解析研究会の様子 @ 名古屋大学

25

FOXSIのデータ解析テーマ• 活動領域の時間変化のパワースペクトル• フィラメント噴出領域• XBPの時間変化• 静穏領域の高温成分• 電離非平衡• 重元素比（アバンダンス）• 地球大気とのinteraction26

放射光施設での実験：UVSOR, Spring-827

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

CMOSカメラ振動試験＠SSL
2023/02/26-03/05
報告

清⽔スケジュール

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

27(⽉)
カメラボックス組み⽴て28(⽕)
カメラボックスをタワーに取り付け
3/1(⽔)
振動試験
2(⽊)
打ち合わせ
Hunter&Miloとディナー

26(⽇)
SFO到着
レンタカーでホテルへ

5(⽇)
HND到着

3(⾦)
岡さんとランチゴールデンゲートドライブ

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

Space Sciences Laboratory – University of California, Berkeley30

M1の学⽣さんの出張報告レポートよりタワーにカメラボックスを取り付けた︕
⽳位置がちゃんと合っていてほっとしました。

31

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

3軸に、順に振動を与えて試験を⾏う。

zyx32

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

Vibrating...

フタを⾒ると振動がわかると思います。

33

M1の学⽣さんの出張報告レポートより

34

FOXSI hardware

M1の学⽣さんの出張報告レポートよりかっこいい…♡

⽀えが今は壊れているらしい(笑)

35M1の学⽣さんの出張報告レポートより
ご飯など

36

M1の学⽣さんの出張報告レポートより楽しかったです♪

37進学したら何ができるか

年度

学年

FOXSI-3

FOXSI-42022

B3

機器較正など

2023

B4

データ解析

2024

M1

打ち上げ

2025

M2

2026

D1

データ解析
（機器較正）

2027

D2

2028

D3

組立、試験

FOXSI-5
企画提案
開発
組立
試験
打ち上げ
（SOLAR-C,
MUSE との同時観測）
データ解析（機器較正） 38

FOXSI 関連資料• 太陽X線グループのホームページ
https://xray-sun.jp/
https://twitter.com/Xray_Sun_jp• FOXSI-3 の打ち上げ成功のニュース
https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3/• FOXSI-3 のデータ紹介のニュース
https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3-data-release-jp-20190115/• 国立天文台ニュース: FOXSI-3 の記事
https://www.nao.ac.jp/contents/naoj-news/data/nao_news_0310.pdf• Ｘ線・EUV結像光学ニューズレター: FOXSI の記事
https://www.xray-euv-optics.group/file/pdf/X-rayNL_54.pdf• FOXSI-4 のホームページ
https://phoenix-project.science/foxsi-4• 成影のコンタクト先
noriyuki.narukage [at] nao.ac.jp（[at] を @ に変えて下さい）

観測ロケット実験 FOXSI-4
成影 典之（国立天文台）

NASA やJAXA がかかわる 日米共同 の 観測ロケット実験
国立天文台 が日本の代表機関

2024年春 の実施

出器 le
検S
太陽フレア からの X線光子1個1個 を 最新技術 CMtOem on moduーSys
ンタリを用いて 世界で初めて 観測する 宇宙ミッション
3Dプなど
属金
科学成果は Nature・Science も狙える!!

大学院生も参加 できる!!!
自分で作り上げたものが 宇宙に行って戻ってくる

ロケットの打ち上げ アラスカ にも立ち会え 国際的な仲間 もできる
SPring-8 や マーシャル宇宙飛行センター など世界第一級設備も使用
企業とも一緒に 一昨年のツアーから2名の学生さんが進学・参加