月の水資源探査と天文学・素粒子物理の研究を連携させる MoMoTarO 計画

資源探査 x 月面天文学 x 素粒子物理学
MoMoTarO プロジェクト

榎戸輝揚 (京都大学・理化学研究所)
榎戸輝揚, 辻直希 (京大), 中澤知洋 (名大), 木坂将大, 高橋弘充 (広大), 仏坂健太 (東大), Ethanvan Woerkom (University of Amsterdam), 森本健志 (近大), 吉浦伸太郎, 本間希樹 (NAOJ), 長岡央, 谷 口絢太郎, 高梨宇宙, 大竹淑恵, 若林泰生, 岩本ちひろ, 加藤陽, 玉川徹 (理研), 晴山慎(聖マリアンナ 医科大), 小林泰三 (立命館), 池永太一, 中野雄貴, 塚本雄士 (SRE), 草野広樹(QST), 尾崎直哉, 星野 健, 上野宗孝 (JAXA), 他 MoMoTarO チーム
日本天文学会・2023年秋季年会@名古屋大学、2023年9月20日 15:08

Earthrise (地球の出)2

1968年にアポロ8号の宇宙飛行士ウィリアム・アンダースが撮影。
史上最も影響力を持った写真とも。

• サイエンスから見た月の利点• 大気がなく人工電波ノイズが弱い → 理想的な低周波電波の観測• 月表面は中性子源 → 月面ローバーで水資源探査に活用できる• 月は地球から遠い (1.3光秒) → ガンマ線バーストで宇宙論に貢献• 地球より自転が遅い (27日) → 同一天域を長期モニタリング• 高エネルギー天文学(宇宙論・時間軸天文学）や素粒子物理も可能！

MoMoTarO (Moon Moisture Targeting Observatory)

中性子とガンマ線の放射線測定を軸とした、月面・月周辺での多分野連携プロジェクト
1. 中性子を用いた水資源探査 (惑星科学)
2. GRB重力波宇宙論 (Ｘ・ガンマ線天文学)
3. 中性子の寿命測定 (素粒子物理学)✕

低周波電波天文 (~10-100 MHz)+アスカリアン効果で宇宙線測定

宇宙放射線の測定で「月の水資源」を見つけたい！

月面ローバー

熱・熱外中性子

水資源
4

銀河宇宙線
(陽子、ヘリウム)

銀河宇宙線が月に衝突した際の核反応で生じる中性子を用いて非接触で水資源を探し出す。

高速中性子

核反応

ガンマ線

中性子捕獲

連星中性子星の重力波とガンマ線バースト観測

Frequency (Hz)Fermi/GBM(50-300 keV)

合体

Count/s

The Astrophysical Journal Letters, 848:L12 (59pp), 2017 October 20(190 deg2)

GRBAT 2017gfo(31 deg2)

1.7 秒(1100 deg2)

重力波 (LIGO)
NGC4993(40 Mpc)
LIGO & Virgo Scientific Collaboration, ApJ (2017)

Figure 1. Localization of the gravitational-wave, gamma-ray, and optical signals. The left panel shows an orthographic projection of the 90%
LIGO (190 deg2; light green), the initial LIGO-Virgo localization (31 deg2; dark green), IPN triangulation from the time delay between Fermblue), and Fermi-GBM (dark blue). The inset shows the location of the apparent host galaxy NGC 4993 in the Swope optical discovery immerger (top right) and the DLT40 pre-discovery image from 20.5 days prior to merger (bottom right). The reticle marks the position of the t• 連星中性子星の合体 GW170817—重力波から1.7秒後にガンマ線バースト到来
In the mid-1960s, gamma-ray bursts (GRBs) were discoveredby subsequent sGRB discoveries (see th
11時間後、rプロセス元素の放射性崩壊で輝くキロノバが同定。
by the Vela satellites, and their cosmic origin was ﬁrst establishedanalysis by Fong et al. 2015 and also Troja estar binary mergers are also expected, hoby Klebesadel et al. (1973). GRBs are classiﬁed as long or short,isotropic electromagnetic signals, which inclu
based on their duration and spectral hardness(Dezalay et al. 1992;• 可視光対応天体の同定では、ガンマ線バーストで到来方向の測定が重要
and infrared emission, a so-called kilonova/mKouveliotou et al. 1993). Uncovering the progenitors of GRBs
2 の制限。
kilonova; Li & Paczyński 1998; Kulkarni 20
has been one of the では
key challenges
in high-energy
astrophysics
LIGO/Virgo では 31 deg2、Fermi/GBM
1100
deg
5 BarMetzger et al. 2010; Roberts et al. 2011;
ever since(Lee & Ramirez-Ruiz 2007). It has long been

惑星間空間での GRB 検出は到来方向の決定に有効！

• ３個以上の衛星間の到来時間差による「三角測量」で方向決定• Inter Planetary Network (IPN, 1994年以降)で数百個の GRB で方向決定• 遠方の衛星で全天カバーし 0.1 deg2 を達成→ 地上の可視光望遠鏡 FoV
259:34 (10pp), 2022 April

Svinkin et al.

GRB

2-31-2261

GRBイベント数3030.12 deg2 遠方(惑星間空間)の衛星

11 deg2 地球低軌道の衛星
0.5 deg

20

0.1 deg2
SubaruHSC aLIGO/aVirgo
FoV
GW170817

10Fermi/GBM only
GW170817

c.f., Subaru/HSC
1.5 deg FoV(diameter)

1 deg(C) T. Rector, I. Dell'Antonio/NOAO/AURA/NSF, Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

Sivinkin et al., ApJS (2022)

0.01

1100

到来方向 (deg2)

ガンマ線バースト観測は重力波宇宙論へ貢献できる
GW170817

キロノバ• 従来の「距離はしご」と独立な測定法で、不定性を軽減• ハッブル定数 (Hubble tension問題) やダークエネルギーに関わる宇宙論パラメータ測定ご )しrはed距離 ce ladnatsi
D(10345ご r)
し deは d離 la
距 rse BAO
逆 ve
レンズ
(InIa型超新星

セファイド偏光星
赤色巨星
食連星
年周視差

• Hiz-GUNDAM の赤外線望遠鏡の視野(20’平方)での観測計画を01
2101010サポートできる可能性も。

GRB

GW LVK ~2030 ~2040

標準サイレン(GW standard siren)• ガンマ線バーストによる即時の位置測定が両者を繋ぐ鍵！

z=2CMB• 重力波宇宙論 (宇宙膨張史)• 重力波 → 光度距離
• 可視光対応天体 → 赤方偏移

z=0.2

6

メーザー

Tully-Fisher(C) 仏坂健太 (東大)71010101010
Distance fromthe SunDistance(pc)
Co-moving(pc)81091010

月での中性子寿命の測定• 中性子の寿命は、加速器を使うビーム法(τbeam~888 sec) と冷却中性子のボトル法(τbottle~879 sec)の間で、△τ = τbeam - τbottle= 9 sec (1%) の系統的な違い• 月重力場での軌道計算と中性子寿命→ 0.1 cps/cm2 @ 600 km 高度• 1Uサイズ1年間で寿命を統計的に区別可(軌道 20-2000 km, 有効面積 40 cm2)8

中性子・ガンマ線モニタ 第一世代 MoMoTarO• キューブサット1Uサイズの放射線モニタをモジュール化し、スケーラブルに拡張• 中性子とガンマ線をパルス波形弁別できるシンチレータ + SiPM 光検出器を採用• 既存のヘリウムのガス検出器の手法に比べ、振動に強く、小型、低電圧、省電力• さらに熱・熱外・高速中性子、ガンマ線を区別できる構成 → 高感度測定を実現• 水資源探査に加え、深宇宙の方向からのガンマ線バーストなどの測定も可能
PSD plot
10 cm

10 cm

α粒子

熱外/高速中性子
熱中性子
電子

9月面

陽子

ガンマ線

6Li

散乱

トリチウム

PSD

反跳

10 cm

600600
PSD値 (波形弁別の指標)

深宇宙

熱中性子

3030

高速中性子25500

400400202030015ガンマ線

2002001000 000

実測
200

エネルギーに対応
400

400

600

800
1000
Signal height [ch]1010500800
パルス波高値 (ch)

月の水資源探査と天文学・素粒子物理の研究を連携させる MoMoTarO 計画
榎戸輝揚, 辻直希 (京大), 中澤知洋 (名大), 木坂将大, 高橋弘充 (広大), 仏坂健太 (東大), Ethan van Woerkom(University of Amsterdam), 森本健志 (近大), 吉浦伸太郎, 本間希樹 (NAOJ), 長岡央, 谷口絢太郎, 高梨宇宙, 大竹淑恵, 若林泰生, 岩本ちひろ, 加藤陽, 玉川徹 (理研), 晴山慎 (聖マリアンナ 医科大), 小林泰三 (立命館), 池永太
一, 中野雄貴, 塚本雄士 (SRE), 草野広樹 (QST), 尾崎直哉, 星野 健, 上野宗孝 (JAXA), 他 MoMoTarO チーム

Moon Moisture Targeting Observatory (MoMoTarO) 計画は、アルテミス計画に代表される人類の月面探査の潮流を最大限活用し、月周辺での放射線測定を行う小型モジュールの開発を行い、(1) 銀河宇宙線による月の水資源探査、(2) 地球から離れた月面でのガンマ線バースト測定により到来方向を決定し重力波観測と連携して宇宙論に切り込み、(3) 月周回機での中性子寿命の測定を行う計画である。さ
らに、月面の低周波電波観測と時間軸天文学やアスカリアン効果での宇宙線測定で連携する。

1. 月の水資源探査
月面ローバー

2. 月面物理学の創成

銀河宇宙線(陽子、ヘリウム)
高速中性子

熱・熱外中性子
水資源

ガンマ線

核反応

熱・熱外中性子

中性子捕獲3)⽉⾯模擬⼟壌を使⽤したRI線源による⽔分計測

月の模擬土壌を用いた極低含水率の測定試験• 月周回機に搭載した MoMoTarO により、月表面からの熱• 月極域には永久影に水が濃集？水資源は月探査の鍵
1) ⽔を含む⼟槽作り

2) 線源と中性⼦検出器を設置

3) ⼟槽からの中性⼦を測定

中性子の高度プロファイルを測定し、月表面からの漏出シ
月面の中性子の漏出スペクトルをシミュレーションで再現、定量評価を可能に•• サブ重量パーセントの水が表面から数十 cm 以内に存在?
ミュレーションと比較して中性子の寿命を測定できる。
• 難しい極低含水率の月の模擬土壌(FJS1)の作成法を確立し、2回の実証試験を実施• 銀河宇宙線が月表面での核反応で発生する中性子が水(陽→ 理論モデルも活用可能に• シミュレーションと熱中性子の実測は精度よく一致• 地球から遠方でのガンマ線バーストの検出を、地球近傍の衛子)に散乱されて漏出する熱・熱外中性子を月面ローバー• 含水率 ~2 wt% 以上なら、熱中性子のみの計数からでも含水率を測定できる星での検出と組み合わせ、時刻差から到来方向を決める。
4) 測定結果
FJS-1 実測vsGeant4で測定することで、非接触で水資源を探索できる。
• モデル⼟槽中の容積含⽔率と中• 0.5 wt% (発見したい下限)へは、熱外中性子とシミュレーションも活用して実現
重力波での中性子星連星合体のフォローアップに貢献。
Geant4_1(実験後)
Geant4 結果1多項式(Geant4_1(実験後))
Geant4
結果1 近似曲線

Geant4_2(実験後)
Geant4 結果2多項式(Geant4_2(実験後))
Geant4
結果2 近似曲線

実測値
実測値

性⼦計数率(He3計数管で測定)との関係

3. 検出器開発

熱外0.5-5×105 eV

高速中性子>0.5 MeV

50

中性子の計数率(cps)
計数率 (cps)

熱中性子<0.5 eV

ビーム法

ボトル法

-2

プラネット法 (先行研究)
QCD 計算中性子の寿命 (秒)Energy x Intensity (n cm-2 s-1)

月面の中性子の漏出スペクトル
測定値
中性子寿命は、加速器を使うビーム• Geant4での数値シミュレー
中性子検出器
シミュレーションを Geant4 シミュレーション
10 含水率ションと実測した計数率を⽐較
線源強度の２種類の仮定
法 (τbeam~888 sec)と冷却中性子ので再現、定量評価を可能に。
実験結果との良い相関性を得た
中性子・ガンマ線モニタ
第一世代
MoMoTarO
熱外中性子 ボトル法 (τbottle•~879sec)の間で、
H 含有量
100 wt%とシミュ•
今回の実験結果を踏まえ、さら含水率
キューブサット1Uサイズの放射線モニタをモジュール化し、スケーラブルに拡張
熱、熱外、高速中性子を弁別し•レーション △τ = τbeam - τbottle = 9 sec (1%)にモデル計算の⾼精度化を⽬指を活用
Geant410
中性子とガンマ線をパルス波形弁別できるシンチレータ+ SiPM 光検出器を採用 の系統的な違い すて測定するのが鍵になる。
•シミュレーション
1 wt%
月の模擬土壌
熱中性子から含水率*Geant4の⼆種類の計算結果はCf線源の(草野ほか）• 既存のヘリウムのガス検出器の手法に比べ、振動に強く、小型、低電圧、省電力
強度を公称値、出荷前計測値のそれぞれ
100246810 12 14で仮定した場合の計算結果
1eV
1keV
1MeV
さらに熱・熱外・高速中性子、ガンマ線を区別できる構成→
高感度測定を実現•
立命館大学での月模擬土壌の試験
体積含水率 (%)
(2022年6月、2023年3月)
容積含水率 (%)
月面からの漏出中性子 Neutron Energy
水資源探査に加え、深宇宙の方向からのガンマ線バーストなどの測定も可能•
年 (year)
PSD plot
10-1-3-4

ビーム法

ボトル法

4540353025201510500.000%-5

月面天文台 FS 2022年度の活動

1. MoMoTarO プロジェクトの科学目標の設計と• キューブサット1Uサイズの放射線モニタ
10 cm
新しい学際融合研究チームの結成
α粒子
2. 第一世代MoMoTarO モデルの概念設計と製をモジュール化し、スケーラブルに拡張 熱外/高速

10 cm

陽子

反跳600600
PSD

深宇宙

2.000%

4.000%

6.000%

8.000%

4. 実証試験10.000%12.000%14.000%

3)⽉⾯模擬⼟壌を使⽤したRI線源に• 難しい極低含水率の月の模擬土壌(FJS1)

3)⽉⾯模擬⼟壌を使⽤したRI線源に
高速中性子
1) ⽔を含む⼟槽作り
2) 線源と中性⼦検出器を設置

熱中性子

3030

PSD値 (波形弁別の指標)

月の模擬土壌を用いた極低含水率の測定試験
月の模擬土壌を用いた極低含水率の測定試験• 中性子とガンマ線をパルス波形弁別でき• シミュレーションと熱中性子の実測は精度500の作成法を確立、2回の実証試験を実施
1) ⽔を含む⼟槽作り
2) 線源と中性⼦検出器を設置
2025

400

中性子・ガンマ線モニタ
第一世代
MoMoTarO
マ線モニタ
第一世代
MoMoTarO• 月面の中性子の漏出スペクトルをシミュレーションで再現、定量評価を可能にるシンチレータ+ SiPM
光検出器を採用
よく一致 → 理論モデルも活用可能に
作、電子回路およびソフトウェアの開発

中性子

10 cm

3. MoMoTaro 搭載素子の放射線耐性の検討
4. 低周波数電波での概念設計

熱中性子
5. 低周波電波・ガンマ線の月面天文台の科学検討

400

20300

15

月面の中性子の漏出スペクトルをシミュレーションで再現、定量評価を可能に•
キューブサット1Uサイズの放射線モニタをモジュール化し、スケーラブルに拡張
電子•
ズの放射線モニタをモジュール化し、スケーラブルに拡張
実測• 既存のヘリウムのガス検出器の手法に比•含水率~2wt%以上なら、熱中性子のみ散乱• 難しい極低含水率の月の模擬土壌(FJS1)の作成法を確立し、2回の実証試験を実施
難しい極低含水率の月の模擬土壌(FJS1)の作成法を確立し、2回の実証試験を実施•
トリチウム
中性子とガンマ線をパルス波形弁別できるシンチレータ+
SiPM
光検出器を採用
ガンマ線•
ルス波形弁別できるシンチレータ+
SiPM
べ、振動に強く、小型、低電圧、省電力の計数からでも含水率を測定できる
3
月面 光検出器を採用
シミュレーションと熱中性子の実測は精度よく一致→
理論モデルも活用可能に•
シミュレーションと熱中性子の実測は精度よく一致→
理論モデルも活用可能に•
既存のヘリウムのガス検出器の手法に比べ、振動に強く、小型、低電圧、省電力•• さらに熱・熱外・高速中性子、ガンマ線出器の手法に比べ、振動に強く、小型、低電圧、省電力• 0.5 wt% (発見したい下限)へは、熱外中含水率~2wt%
以上なら、熱中性子のみの計数からでも含水率を測定できる•
含水率~2wt%以上なら、熱中性子のみの計数からでも含水率を測定できる•
さらに熱・熱外・高速中性子、ガンマ線を区別できる構成→ 高感度測定を実現• を区別できる構成 → 高感度測定を実現
中性子、ガンマ線を区別できる構成→ 高感度測定を実現
4) 測定結果
性子とシミュレーションも活用して実現
4) 測定結果 FJS-1
FJS-1 実測vsGeant4
実測vsGeant4
0.5wt%(発見したい下限)へは、熱外中性子とシミュレーションも活用して実現
0.5wt%(発見したい下限)へは、熱外中性子とシミュレーションも活用して実現••モ••
水資源探査に加え、深宇宙の方向からのガンマ線バーストなどの測定も可能•
宇宙の方向からのガンマ線バーストなどの測定も可能
PSD plot
6Li
6. MoMoTarO の Geant4 シミュレーションの構築
7. 極低含水率の月模擬土壌シミュラントの作成法の確立と含水率測定

3

散乱

高速中性子
25
α粒子

202010300

200200熱中性子
10-410-4200

400

400

600

800

010000Signal height [ch]800
パルス波高値 (ch)

含水率

含水率

H 含有量

H 含有量 15

Geant4 ガンマ線
Geant4 シミュレーション
6Li
100
電子
シミュレーション(草野ほか）
エネルギーに対応
実測

5PSD

熱中性子

3030

中性子検出器高速中性子25
中性子検出器500400400

2020

0 wt%
300

0 wt%

101050 50

200200

1 wt%
100

1 wt%

中性子の計数率(cps)
計数率 (cps)

電子

6Li

熱外/高速
400400
中性子 -310-3エネルギーに対応

中性子の計数率(cps)
計数率 (cps)

中性子

ンマ線

陽子 10 cm
500
10 cm
10-2 含水率
α粒子 10-2 含水率

10 cm

5

Geant4_1(実験後)
Geant4
結果1
Geant4_1(実験後)
Geant4
結果1多項式(Geant4_1(実験後))
多項式(Geant4_1(実験後))
Geant4
結果1近似曲線
Geant4結果1
近似曲線-110600600熱中性子
熱外
高速中性子
熱中性子
熱外
高速中性子
60060030
反跳
陽子30>0.5 MeV
5 eV
熱中性子
<0.5eV
50.5-5×10<0.5 eV0.5-5×10 eV>0.5 MeV

PSD値 (波形弁別の指標)

外/高速性子10-1

10PSD plot

PSD値 (波形弁別の指標)
Energy x Intensity (n cm-2 PSDs-1)

反跳

深宇宙

Energy x Intensity (n cm-2 s-1)

58. 月周回機を用いた中性子寿命の測定の検討

1000 00010ガンマ線

20020015ガンマ線

月の模擬土壌

月の模擬土壌

10105

エネルギーに対応
0実測
00
トリチウム -50200
400
6008001000
0 00 立命館大学での月模擬土壌の試験
01 eV1keV
Signal height [ch]1 MeV0400800
トリチウム
200400600800100010
ガンマ線 1 eV
Signal height [ch]0400800
1keV
1MeV
パルス波高値(ch)(2022年6月、2023年3月)
立命館大学での月模擬土壌の試験
月面からの漏出中性子 Neutron Energy
月面

4-5(草野ほか）
0100

散乱

月面からの漏出中性子 Neutron Energy

パルス波高値 (ch)(2022年6月、2023年3月)

45 45
40 40
353530

Geant4_2(実験後)
Geant4
Geant4_2(実験後)
Geant4結果2結果2多項式(Geant4_2(実験後))
多項式(Geant4_2(実験後))
Geant4
結果2 近似曲線
近似曲線
Geant4
結果2

実測値
実測値
実測値
実測値

性と測定値
測定値

• •G
シシミュレーション
シミュレーション
線源強度の２種類の仮定

線源強度の２種類の仮定• •実熱外中性子
25熱外中性子
25 とシミュ
20とシミュ
20 レーション
15レーション
15 を活用
3010を活用

10

熱中性子から含水率5熱中性子から含水率

5 02.000%
4.000%
02
4
0 0.000%
0.000%
2.000%
4.000%
02
46.000%68.000%8

10.000%10

12.000%1214.000%
146.000%
8.000%
10.000%14.000%68 (%)
10 12.000%
12 14
体積含水率

容積含水率 (%)
体積含水率 (%)

容積含水率 (%)

• 今
•にす

*Gea
強度
*G
で仮強で