硬X線集光偏光計XL-Calibur気球実験
高橋 弘充（広大）, Quin AbarrA, 粟木 久光B, Richard BoseA, Dana BraunA, Gialuigi deGeronimoC, Paul DowkonttA, 榎戸 輝揚D, Manel ErrandoA, 深沢 泰司E, Tom GadsonF, Victor
GuarinoA, 郡司 修一G, 林田 清H, 早藤 麻美I, Scott HeatwoleF, 石橋 和紀P, 石田 学J, Fabian
KislatK, Mozsi KissL, 北口 貴雄I, Henric KrawczynskiA, Nirmal Kumar IyerL, Rakhee KushwahL,James LanziF, Shaorui LiM, Lindsey LisaldaA, 前田 良知J, 松本 浩典H, Joe McGeeF, 宮澤 拓也
N, 水野 恒史E, 岡島 崇O, Mark PearceL, Zachary PetersonF, Brian RauchA, Felix RydeL, 斎藤芳隆J, Garry SimburgerA, David StuchlikF, 玉川 徹I, 田村 啓輔O, 常深 博H, 堤 まりなQ , 内田 和海E, 内田 悠介E, 内山 慶祐Q , Andrew WestA, 周 圓輝Q , X-Caliburチーム
A: WUSTL, B: 愛媛大, C: SUNY, D: 京大, E: 広大, F: Wallops/NASA, G: 山形大, H: 阪大, I: 理研, J:ISAS/JAXA, K: UNH, L: KTH, M: BNL, N: OIST, O: GSFC/NASA,
P: 名大, Q: 東京理科大

日米瑞の国際協力
PI: Henric Krawczynski（ワシントン大学）

1日米欧の国際協力で推進する硬X線集光偏光計XL-Calibur計画
高橋 弘充（広大）, Quin AbarrA, 粟木 久光B, Richard BoseA, Dana BraunA, Gialuigi deGeronimoC, Paul DowkonttA, 榎戸 輝揚D, Manel ErrandoA, 深沢 泰司E, Tom GadsonF, VictorGuarinoA, 郡司 修一G, 林田 清H, 早藤 麻美I, Scott HeatwoleF, 石田 学J, Fabian KislatK,Mozsi KissL, 北口 貴雄I, Henric KrawczynskiA, Nirmal Kumar IyerL, Rakhee KushwahL, JamesLanziF, Shaorui LiM, Lindsey LisaldaA, 前田 良知J, 松本 浩典H, Joe McGeeF, 宮澤 拓也N, 水野 恒史E, 岡島 崇O, Mark PearceL, Zachary PetersonF, Brian RauchA, Felix RydeL, 斎藤 芳隆J,
Garry SimburgerA, David StuchlikF, 玉川 徹I, 田村 啓輔P, 常深 博H, 堤 まりなQ , 内田 和海E,内山 慶祐Q , Andrew WestA, 周 圓輝Q , X-Caliburチーム

従来
今回

PoGO+ 気球
X(L)-Calibur 気球

A: WUSTL, B: 愛媛大, C: SUNY, D: 京大, E: 広大, F: Wallops/NASA, G: 山形大, H: 阪大, I: 理研, J:ISAS/JAXA, K: UNH, L: KTH, M: BNL, N: OIST, O: GSFC/NASA,
P: 名大, Q: 東京理科大

日米瑞の国際協力
PI: Henric Krawczynski（ワシントン大学）

2

偏光から分かること（1）：磁場電子＋磁場 => シンクロトロン放射
磁場電子

高エネルギー粒子が磁場に巻き付いて放射 放射の偏光の方向は、磁場と垂直

粒子加速の現場、ジェットなど
硬X線
磁場と垂直方向に偏光

パルサー星雲「かに星雲」 粒子を高エネルギーに加速するためには、磁場が重要な役割を担っている
磁場は、イメージ、時間変動、エネルギーでは測定できない
 偏光情報なら、磁場の向きと揃い具合を調べられる(c) astro.psu.edu

PoGO+の結果：Chauvin et al. 20173

偏光から分かること（2）:反射
反射・散乱した光（水面、大気、その他なんでも）
左：普通に撮影
wikipedia
右：偏光フィルターで偏光した光をカット
反射光がなくなり、川底からの光のみになる
反射＋川底反射＋川底=> 偏光情報から（偏光＋無偏光）（偏光＋無偏光）
反射体の配置が分かる
ブラックホール連星系「はくちょう座X-1（Cyg X-1）」
相手の恒星からの放射がどのように(c) ESA
ブラックホールに吸い込まれているのか？
=> ブラックホール近傍 ~100 kmはイメージでは構造が識別できない=> 偏光なら、（ミクロな）反射体の配置が分かる

PoGO+の結果：Chauvin et al. 20184

偏光から分かること（3）:強磁場
強磁場中性子星のごく近傍（表面付近）でのQED効果
強磁場中で、E-mode偏光は透過しやすい  O-mode偏光は吸収されてしまう
Pavlov et al. 2000
Yatabe et al. 20175

Ｘ線・ガンマ線 偏光観測

- 偏光測定（イメージ、タイミング、スペクトルとは異なる情報）=> パルサーやブラックホール、活動銀河核、ガンマ線バーストなどにおける高エネルギー現象の研究で重要- しかしながら、X線・ガンマ線の偏光が検出された天体は、ガンマ線バースト、かに星雲（2.6/5.2 keV と 200 keV 以上）と Cyg X-1 (600 keV 以上)のみ- 他のエネルギー帯域、他の天体の偏光観測が必要不可欠
PoGO+, X-Calibur, 「ひとみ」SGD, AstroSat, IXPE, XPP…

(c) astro.psu.edu

Hard X-ray(>20 keV)~40 km

Weight (wo ballast) : ~2000 kg
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高エネルギー偏光観測の歴史と今後
1970年代
Ｘ線

硬Ｘ線

ガンマ線

現在

2000

OSO-8

IXPE(2021 -)PoGO+ (2013, 2016)

X(L)-Calibur(2018, 2021, 2022, …)

日本＋スウェーデン

元々アメリカのみ
日本＋スウェーデンも参加

XPP
計画

ひとみSGD (2015)
INTEGRAL (2003 -)AstroSat (2015 -)偏光結果を報告しているが、偏光観測に特化しておらず系統誤差が大きい

ガンマ線バースト観測用の小型検出器（GAP, POLAR）は除く
7

PoGO+偏光計（コリメータ型）

20-180 keV- PoGOLite ではコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出
主検出部：プラスチック x 61ユニット、周囲にBGOシールド:30ユニット
熱中性子シンチレータ：2ユニット- 検出器自身の系統誤差、大気中性子フラックスの異方性をキャンセルするため、観測中は検出器が6分で1回転する。
Top view

Gamma-ray
Polyethylene
1m

PMT

Passive shield(Pb, Sn, Cu)
Fast plastic
scintillator

垂直方向に散乱されやすい

BGO

偏光方位角と直交方向に多くのイベントが検出される

8

PoGO+偏光計（コリメータ型）

20-180 keV- PoGOLite ではコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出
主検出部：プラスチック x 61ユニット、周囲にBGOシールド:30ユニット
熱中性子シンチレータ：2ユニット
1 Crabより暗い天体の観測は難しい- 検出器自身の系統誤差、大気中性子フラックスの異方性をキャンセルするため、これ以上の感度向上は難しい
観測中は検出器が6分で1回転する。

 PoGO+の次のフライト計画は未定
Top view

Gamma-ray
Polyethylene
1m

PMT

Passive shield(Pb, Sn, Cu)
Fast plastic
scintillator

垂直方向に散乱されやすい

BGO

偏光方位角と直交方向に多くのイベントが検出される

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X-Calibur偏光計（集光型）

20-80 keV

- X-Calibur でもコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出
硬Ｘ線望遠鏡により集光 => 検出器はコンパクト・バックグラウンド低減
主検出部：Beで散乱、CZT x 256ピクセル x 4面、周囲にCsIシールド
最下面に CZT x 64ピクセルで（簡易）イメージング- 検出器自身の系統誤差をキャンセルするため、検出器が20秒で1回転する。
焦点距離8-12 m

検出器の断面~3cm

2018年：InFOCuS望遠鏡（NASA+日本）
2021年以降：FFAST望遠鏡（日本）10X-Calibur偏光計（集光型）

20-80 keV

- X-Calibur でもコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出
硬Ｘ線望遠鏡により集光 => 検出器はコンパクト・バックグラウンド低減
主検出部：Beで散乱、CZTx 256ピクセル x 4面、周囲にCsIシールド
数100 mCrabの天体からも偏光検出
最下面に CZT x 64ピクセルで（簡易）イメージング- 検出器自身の系統誤差をキャンセルするため、検出器が20秒で1回転する。
焦点距離8-12 m

検出器の断面~3cm

2018年：InFOCuS望遠鏡（NASA+日本）
2021年以降：FFAST望遠鏡（日本）112018年X-Calibur 全体像（~2トン）

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X-Calibur放球@南極（2018/12/30）

YouTube： X-Calibur Launch13

2018年X-Caliburフライト履歴
放球：12/30 9:15AM (LT)
高度：40 kmに到達
観測天体：質量降着型パルサー
GX 301-2, Vela X-1（南天）＃GX 301-2 は 600 mCrab
姿勢制御： 1秒角以下の高精度
着陸：1/2 11:40AM (LT)＃He漏れのため

 今回の結果はApJ論文（Abarr+）
次回フライトを目指す
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質量降着型パルサーの放射モデル? ペンシル型 ?

? ファン型 ?

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X-Calibur観測結果（2008年 GX 301-2）ライトカーブ（コンプトン偏光信号）（Abarr et al. 2020 ApJ）
パルス周期（~680秒）

赤：ON観測黒：OFF観測
天体信号を0.2 Hzで検出

イメージ（偏光計の下面に設置）

望遠鏡で集光した天体信号を検出している・ライトカーブ
・パルス
・イメージ
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X-Calibur観測結果（2008年 GX 301-2）
偏光度（Q/U平面）（Abarr et al. 2020 ApJ）
パルス周期（~680秒）

赤：ONパルス
緑：OFFパルス
黒：全平均

偏光度（全平均）：27 (+38, -27)% (90%誤差）
今回の観測では統計不足
17次回フライトXL-Calibur（2021,2022, 2024, …）(1) FFAST望遠鏡（すでに製作済み）を利用
ひとみHXT望遠鏡と同性能 => 天体信号を5倍以上増やせる(2) CZT半導体検出器
2018年2mm厚を0.8mm厚に薄くする => バックグラウンド 1/2.5低減(3) CsI(NaI)アクティブシールドのアナログ回路を高速化 => Veto効率の向上
18S/N比を10倍向上させ、スウェーデン/南極でのフライトを計画

XL-Caliburの準備状況
2018年着陸後・偏光計：回収して動作チェック済み=> 次回フライトへ利用
その他（望遠鏡、トラス）も回収済み

・望遠鏡： 次回フライトはFFAST望遠鏡（日本担当）
Scott Battaion / CSBF

FFAST望遠鏡（「ひとみ」HXTと同等）
反射鏡
・すべての反射鏡 (213 x 3 x 2枚) はインストール済み
アライメントバー・試作品だった1/3をFM品に置換した
・置換後にSPring-8の放射光で位置合わせ、較正実験（2019年1月, 2019年5月, 20年）

・NASAの提案が採択・日本側でも宇宙研の小規模プロジェクトに採択

 2021年夏スウェーデン
その後2022, 2024年に再フライト（IXPE衛星とも同時観測）19まとめ・X(L)-Caliburは、日米欧の国際協力による硬Ｘ線偏光計である。
・硬Ｘ線望遠鏡で集光することにより、コンパクトな偏光計で低バックグラウンドで高感度な観測を実現する。
・2018年12月の南極フライトでは、偏光観測にとっては新しい天体種族（質量降着型パルサー）を観測した。
・フライトが3日間だったため、観測結果は上限値（Abarr+2020 ApJ）。

・次回フライトは、2021, 2022, 2024年にスウェーデンと南極から計画しており、FFAST望遠鏡を利用、CZT検出器を薄くするなどで、S/N比を10倍向上させる。

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