次世代天文学

ガンマ線天文学の将来計画
中澤知洋

宇宙航空研究開発機構(JAXA)
宇宙科学研究本部(ISAS)

2004.12.25 次世代天文学シンポジウム

ガンマ線で拓く宇宙物理
銀河系からの広がった放射は何か？
非熱的エネルギーの大半を担う、MeV/GeV陽子からの信号は？
粒子加速のメカニズムと、Etotal、Emax
核ガンマ線、重元素合成、宇宙線励起 etc...
未知の素粒子の崩壊ガンマ線？
ガンマ線バースト、量子重力、γγ吸収による宇宙初期の光子分布 etc ...
様々な高エネルギー物理現象
電子／物質／磁場／陽子／２次粒子…

銀河面放射
スペクトルとモデル
sub-MeV, MeV, GeV, TeVガンマ線観測が（他波長とともに）明らかにする

高エネルギーの宇宙／未知の世界
keV

MeV

GeV

TeV

PeV

ガンマ線で拓く宇宙物理○ブラックホール○ブレーザーのジェット

CygX-1のX/ガンマ放射
Hard state

電波放射メカニズム→物理現象の理解
極限の物理Soft state
McConnel et al 2002

keV

各成分の分離多波長可視光MeVTeV ＋時間変動
X線

Kataoka 2002

GeV

Mkn421AGN巨大ジェットの「正体」

MeV○SNRにおける粒子加速

Enomoto et al. 2002

GeV
keV

TeVイメージ+Xコントア

TeV

MeV

Uchiyama et al. 2004

・e-sync＋e-IC放射＋π0？
・分子雲相互作用
Φ5’F.Aharonian et al. Nature 2004

→加速のメカニズム／総エネルギー○全く新しい知見の提供
・未知の素粒子の崩壊輝線？
・ブラックホールの直接証拠？
・宇宙初期の光子密度(γ-γ吸収)
新しい天体物理学などなど

from CALET document
Neutralinoannihilationsim私見：ガンマ線天文学の面白いところ
・いままで見えなかったものをみる
・いままで知らなかった原理を知る
宇宙の高エネルギー現象の素過程/メカニズム/光子伝搬
宇宙の未知の放射

地球に届く光子のスペクトル、時間変動、偏光
新しい物理

RF/IR/Opt/Xによる「宇宙の果てまで知る天文学」を原理から支え
宇宙創世記を探る新たなプローブとなり未知の物理現象を追求する「新しい天文学」を創成する

宇宙ガンマ線の観測技術
100keV~100TeVのガンマ線観測：様々な物理原理を応用
過去／現代
数年以内
CALET

5~15年
Astro-E2/
HXD

広視野Pointing

NeXT/
NeXT/ SGDHXI

μPIC-MeV/
CdTeSMCT/
MEGA

点源感度の指標・Crab：始まり
・10mCrab：系内＋系外・0.1 mCrab：系外・1μCrab：宇宙の果て
TIBET-III
注意：Diffuse放射への感度は広視野型が有利

GLAST
ACT
CANGAROO-III

感度向上の時代へ→これからの天文学[eV]

1MeV以下
光電吸収100keV~100MeV
コンプトン散乱100MeV~100GeV
電子対生成

10GeV~100TeV
空気シャワー/チェレンコフ

Sub-MeV帯域 (pointing)○INTEGRAL衛星(2002-)

ESAのCorner Stone Mission
光電吸収型
銀河中心の硬X線イメージ

26Alからの核ガンマ線(1.8MeV)

M. Revnivtsev et al.

Knoeslseder et al.

10keV-1MeVで最高感度(1-100mCrab)、16’の撮像

IBIS team

Φ15’

光電吸収型＋Coded Maskの巨大ミッション○次世代X線天文衛星「NeXT」(2011-目標:Jpn)
鶴さん講演で既出

軟ガンマ線検出器SGD
狭視野の半導体コンプトンカメラ
100keV-1MeVで1-2桁の感度向上~ 0.1 mCrab @100keV

Sub-MeV帯域 (広視野)~ガンマ線バースト探査＋サーベイ~○ Swift衛星(2004-) MIDEX(~200億円)。
米 with 英/伊 etc＋日本

光電吸収型
硬X線撮像

大面積／広視野の光電吸収型+mask
11/20打上げ。立上げ中。
すでに、GRB 5こを検知
4分角で場所特定を実証

GRB~100 個/yr 位置だし (BATSEの数倍の感度)
X、可視で即時自動追尾○ HETE2衛星(2000-)
日米仏。Swiftに先行。位置だし。
数十億円

NASA Explorer“mission of opportunity”○ 小型GRB衛星 e.g.「風鈴」(東工大)
post-Swift、安価/工夫。

○ EXIST (NASA)
検討中の大ミッション“Einstein Probe”
8m2のCZT検出器

MeV帯域

粒子由来BGDとの戦い○ COMPTEL検出器 (1991-2000)
φ

光子のコンプトン散乱を追跡
10 -10 erg/s/cm2 レベルの感度をMeV帯域で達成

NASAのCGRO衛星に搭載100mCrab、30cm2、a few deg(FWHM)＠処理後

2.6 m

コンプトン散乱 11 
cos ϕ = 1 − me c 2 −  E2 E1 

○ MEGA衛星計画(2010-?) 独etc 数百億円
衛星＋気球
φ

多層のSi両面strip
CsIアレイコンプトン
イメージの例

光電吸収型ではなし得ない感度

MeV宇宙観測への先駆け

次世代コンプトン望遠鏡の技術の１つ
Si半導体→ΔE向上→Δθ向上
コンパクト→面積向上
COMPTELより１桁高い感度
他：TIGRE気球、LXeGRIT気球

~日本のアプローチ~

MeV帯域○μPICを用いたMeVγカメラ (2015-?: Jpn)
3dimガス検出器で反跳電子をトラックし撮像を改善

662keV実測

気球→ISS/衛星

φ10°
プロトタイプと実測結果○ Advanced Compton
Telescope (ACT) 2015-?

○ CdTe 半導体コンプトンカメラ(2015-?:Jpn)
気球→衛星
多層のSi/CdTe半導体
ΔE、Δθ、効率優れる
25cm(Si/)CdTe
SMCT

NeXT/SGD
同じ技術

511keV実測
80層の0.5 mm厚
CdTe (and/or Si)

φ10°

新しい重元素半導体CdTeΔE=2.1keV
＠662keV(best)

NASA Beyond Einsteinで検討中の巨大ミッション。
日本も検討に参加

10 -13 erg/s/cm2 の感度
10~100μCrab
1m3の半導体の固まり？

12m3のXeガスカウンター？

GeV帯域○EGRET検出器 (1991-2000)1m

電子対生成を追跡
コンバーター＋スパークチェンバー
NaIカロリメータ

NASAの CGRO
衛星に搭載

10 -11 erg/s/cm2 レベルの感度をGeV帯域で達成○GLAST衛星 (2007-) 米日伊スウェーデン ˜200億円
GLAST
2007

有効面積

EGRETの50倍の感度（天体数˜1万）EGRET
GeV イメージΔθ=30’→6’＠1GeV

Si stripトラッカー＋モジュール型
カロリメータ・10mCrabで1,500cm2系外まで探査→ 11,000cm2・未知の素粒子
・宇宙初期の光密度

GLAST 予想

GeV帯域~日本の貢献~
気球実験も実施

・GLASTの主検出器LAT
日本製/担当のSi strip
トラッキング能力の向上
ソフト、キャル他○伊の「小GLAST」

1GeV
光子
sim
AGILE
2005-?

○ CALET (2010-? Jpn)

気球実験＠南極実施中→ISSへ

1m

シンチレーション
銀河面
ファイバー

BGOシンチレータアレイ・GLAST後期~・ΔE< 2%@100GeV→未知の素粒子・TeVのDiffuse探査→銀河面etc

高エネルギー電子線

TeV放射モデル

ニュートラリーノ
対消滅
sim

3yr で検出
100
TeV
TeV

２つの任務を果たせる

Expected Observation
by CALET

fromVela

GeV

TeV

TeV帯域
TeVチェレンコフ望遠鏡：近年最も発達したフロンティアの１つ
ステレオ撮像型チェレンコフ望遠鏡○ CANGAROO-III (日豪)VERITAS(US)10~15億円

ガンマ線

HESS(独)シャワー

単一鏡による ①「検出」「発見」②
大型化
感度/帯域の向上

100GeVで 3x10-13 erg/s/cm2(~3mCrab) に迫る感度

SNR: RXJ1713４つの望遠鏡によるステレオ観測

1990年代のX線衛星に匹敵する角度分解能③Enomoto
et al 2002

Φ5’

HESSの例

4分角の撮像
→新時代へ

~10km

TeVのもたらす
サイエンス
・e-ICとπ0の区別
・加速の最高エネルギー
・新たな活動銀河中心 etc...

TeV帯域○MAGICチェレンコフ望遠鏡 (独西伊日)
カナリア諸島

大面積単一鏡(17m)による30 GeVまでの検出○ARGO-YBJ(伊中)伊中共同のAirShower実験。TIB
ET-ASの隣にある。

○TIBET-III将来計画 (日中:3-5億円)
AirShowerによる宇宙線＋TeVガンマ線 広視野観測

立ち上げ中“knee”領域の宇宙線スペクトル

Mkn421のTeV信号→感度向上へ

２つの任務を果たせる

HHe~10-11 erg/s/cm2 (100mCrab)程度＠TeVで２strを監視

Fe

核種同定へ

まとめ
点源感度：
１つの指標にすぎない

過去／現代
数年以内

CALET

5~15年
広視野
Pointing

Astro-E2/
HXD

NeXT/NeXT/ SGD
HXIμPIC-MeV/
CdTeSMCT/
MEGA

TIBET

GLAST
ACT
CANGAROO-III

注意：
Diffuse放射への感度は広視野が有利[eV]・フロンティアとしてのガンマ線。「新しい発見」
・宇宙の高エネルギー現象の「放射と物理メカニズムをつなぐ」ために→ 広帯域でmCrab以上の感度が目標
・10桁を超える帯域→様々な検出原理、様々な工夫
・分野全体における日本の貢献大未知の、宇宙の高エネルギー現象の解明＋新しい世界

予備TP

E