観測装置開発におけるニーズ志向とシーズ志向，
そして「Engineeringする」ということ- X線天文学の観測装置を例として
満田和久
自然科学研究機構 国立天文台 先端技術センター (NAOJ ATC)

特任教授

高エネルギー加速器研究機構 量子場計測国際拠点 (KEK QUP)

特任教授&
宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 (JAXA ISAS)

名誉教授

2022年8月24日
2022年度 天文・天体物理若手夏の学校 観測機器分科会

おおまかな内容• 自己紹介：これまでの研究• スペースからの天文学・宇宙物理学における研究サイクル• 必要は発明の母か，発明は必要の母か？
• X線天文学分野における発明• X線集光撮像光学系• X線マイクロカロリメータ• seedsとneedsの関係• TechnologyとEngineering• 日米欧の研究機関の違い（私見）• これからの新しい技術の方向性• X線分野の例（私見）• まとめ2http://www.astro.isas.jaxa.jp/~mitsuda/labo/

JAXA宇宙研時代の研究室の紹介図((2018年日本語版)
自己紹介(1) 満田・山崎研の研究活動!"#$%& NeXT '()高エネルギー宇宙物理学の観測的研究

衛星ミッション検討・開発・運用

すざく/XIS アーカイブデータ (2005−2013)*+,- ./012

Step 1. データ選択

全天 187 方向の X 線背景放射データ

NECP-07002

90.00060.00030.000

すざく)]pc

Astro-H SXS

システムズ
エンジニアリング

34456738

sDIOS

Richard Kelley, NASA/Goddard
ー
シ

ョ

ン
-

9:;<=>?@

Z

WGで検討中

-軌
道

上

コ

12
&m


ン
フ
ィ
グ

レ

RG設置検討中Kazuhisa
欧日米 Mitsuda, ISAS/JAXA
日欧米(?)

Line Intensity / Column Density [LU / (M

観測運用終了

10315.000

Publications of the Astronomical Society of Japan, (2014), Vol. 00, No. 0

270.000

銀河中心

225.000

0

100

199

300

その始まりか101010Clusters (Bulbul+2014)
例：すざく衛星に暗黒物
M31 (Boyarsky+2014)

質としてのステライル
10
1 ニュートリノの制限
Energy [keV]

LEE-corrected 3 statistical + systematic upper limit
LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

X

Z

Y

Y

X

観
図

外

星

衛

研究とそれを用いた実験
corresponding to the ratio of DM decay rate and its mass. The

地上応用

5mm

5

200µm

極低温信号処理

銀河中心-90.000
400

500

我々の結果(Suzaku)

‒5

600

10

700

800

900

1000

10
10
10
10
10
10
10
10

DM overproduction

‒6

4/10

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)

‒7
‒8
‒9

‒10
‒11
‒12

ステライルニュートリノ
が多すぎる

Allowed region
Clusters (Bulbul+2014)
M31 (Boyarsky+2014)

Not enough DM

ステライルニュートリノが少なすぎる

‒13

1

2

5

10
ms [keV]

ステライルニュートリノの質量
パウリ原理からの制限
et al. (2016)
PASJupper
68, 57
LEE-correctedSekiya
3 statistical+ systematic
limit

LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

基礎的な物理学
宇宙物理学

LEE-uncorrected, -corrected 3σ and the LEE-corrected 3σ statistical +Fig. 6. Constraints on the sterile neutrino mass ms and mixing angle
systematic upper limits are indicated by the black dotted, dashed and solid
sin2 2θ by this and previous works. The definition of lines and marks are
超伝導X線マイクロカロ
lines, respectively. The typical 3σ upper limit by previous works (Boyarsky
the same as in Fig. 5. The grey shaded regions are excluded by the
et al. 2012) is expressed by the red dotted line. The parameters of the
production theories of sterile neutrinos in the νMSM.
リメータ
possible 3.5 keV line (Bulbul et al. 2014; Boyarsky X線マイクロ分析など
et al. 2014) are plottedmby the blue and magenta crosses.
m(熱グループ，赤外線グループと協力)

45.000

銀河系座標、マップ中心は反銀河中心

新しい観測装置のon behalf of the entire Suzaku teamFig. 5. Upper limit on the DM line intensity normalized by its column density

宇宙用冷凍機の長寿命化

90.000-60.000

ら理解する
10

10

135.000-30.000

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)10

180.000

反銀河中心

Tremaine-Gunn / Lyman-

X-Ray
Observatory
WGで検討中ATHENA X-IFU

造と進化を、

0.000

Decay Rate / Mass [s 1 / keV]The Suzaku
日米欧

高温宇宙の構8sin2 2

運用終了

ニュートリノ間の相互作用の強さ

LiteBIRD(CMB）

ened the constraints on the ratio of DM decay rate and its mass
Ti Kα
in the 0.5 – 7 keV range and the parametersof sterile neutrinos.
300 μmstudies, such as the non-resonant (Boyarsky et al. 2009a), theマイクロ波rfSQUID 16
resonant production with the maximal lepton asymmetry attainIn the future, progressive instruments such as X-ray micro8素子用超伝導8x8array
インハウス製作
素子信号多重化装置(産able in the ν MSM (Shaposhnikov 2008; Laine &STEM搭載用
Shaposhnikov calorimeters with eV-level energy resolution and the large-FoV
初段増幅回路2008). The Tremaine-Gunn phase-space density
considerations telescopes will be introduced
総研と共同研究）
satellites,
W Mα to X-ray observational
Si Kα(SQUID)
超低温検出器ヘッド(Boyarsky et al. 2009a) and the Lyman-α analysis (Boyarsky and more sensitive DM
searches will be performed.
Among
STEM分析例(NIMS)
et al. 2009b; Boyarsky et al. 2009c) ruled out the region below 1 the more hopeful instruments of near future missions, we are
マイクロマシーン技術、低温実験/超伝導/低温物性/低温回路、電子回路技術,...
(Si KαとWMαは従来
2
keV. We have added an exclude region for sin 2θ in 3<ms <14 focussed on the Soft X-ray Spectrometer (SXS) of the ASTRO3
検出器では分離できない)自己紹介(2): これまでの研究概要
1980

1990

2000

2010

2020

観測的研究
1979

銀河，銀河団の重X線連星（中性子星，
力ポテンシャル
ブラックホール）

新しい観測装置
CCD Star/Xray cameras

軟X線拡散背景放射軟X線拡散背景放射(SXDB)の主要な起源(SXDB)の未知成分の探査(暗黒物質，WHIM,

初期宇宙)

TES型マイクロカロリメータ

TES型マイクロカロリメータのとその信号多重化

応用研究（宇宙物質，原子核時計，Axion）

超軽量X線光学系
宇宙ミッション
Projects

ASCA SIS

Ginga LAC
Tenma STT

SuzakuASTRO-E1 XRS
Concept studies

ASTRO-H SXSDIOS, EDGE, ORIGIN, XENIASRGIXO, Athena X-IFU
LiteBIRD (CMB)
JASMINE (near IR)

2020年度退職記念講演会 JAXA宇宙科学研究所

4

2021年3月29日

満田ニーズ志向とシーズ志向
必要は発明の母発明は必要の母

サイエンス目的

技術イノベーション

needs oriented

seeds oriented

新しい需要（サイエンス目的）を掘り起こす

必要な技術を開発

5

科研費の研究調書
様式Ｓ－１２ 研究計画調書（添付ファイル項目）
１

基盤研究（Ａ）（一般）１

研究目的、研究方法など

本研究計画調書は「中区分」の審査区分で審査されます。記述に当たっては、「科学研究費助成事業における審査及び評価に関する規程」（公募要領１６頁参照）を参考にすること。
本研究の目的と方法などについて、６頁以内で記述すること。
冒頭にその概要を簡潔にまとめて記述し、本文には、(1)本研究の学術的背景、研究課題の核心をなす学術的「問い」、(2)
本研究の目的及び学術的独自性と創造性、(3)本研究の着想に至った経緯や、関連する国内外の研究動向と本研究の位置づけ、(4)本研究で何をどのように、どこまで明らかにしようとするのか、(5)本研究の目的を達成するための準備状況、について具体的かつ明確に記述すること。
本研究を研究分担者とともに行う場合は、研究代表者、研究分担者の具体的な役割を記述すること。

提案する研究の核心をなす，研究が答えようとする学術的問い＝研究の究極的な目的提案する研究は，何を，どこまで明らかにしようとするのか＝研究の目的提案する研究は，どのように明らかにしようとするのか＝具体的に何をするのか

ここから，新しい技術が生まれれば，必要は発明の母
6

X線天文学の始まり
Milestones of X-ray astronomy in early era
Sounding Rocket experiment lead by
B. Rossi and R. Giacconi (1962)
The nature is more imaginative thanhuman beings (Rossi)

1962 Discovery of the extra-solar X-ray source, Sco X-1, and thecosmic X-ray background (Rossi, Giacconi et al.)1966 Identification of Sco X-1 with an optical object (Oda, Jugaku, etal., Sandage et al. 1966）
The X-ray source was an astronomical object = establishment of X-ray

astronomy
1970 The first X-ray astronomy satellite, UHURU
The first catalog of X-ray sources
Discovery of X-ray pulsars; establishment of X-ray binaries
Discovery of extragalactic X-ray sources
Active galactic nuclei, e.g. M87
Clusters of galaxies, e.g. Coma cluster（1971）
discovery of hot ICM as a significant form of present baryonic matter
Milli-sec time variations from Cyg X-1; black hole hypothesis (Odaet al.)

1971

7

Identification of Cyg X-1 with an optical/radio object
Lower limit of mass which is higher than the upper limit of neutron starmass = black hole candidate

宇宙X線の検出感度を飛躍的に向上させた技術
HEAO-B, Einsteine衛星

X線検出器

コリメータ

X線

X線

位置検出型X線検出器

荷電粒子バックグラウンドに対するS/Nが飛躍的に向上
検出するX線photon数∝ 集光面積

荷電粒子バックグラウンド数 ∝ 検出器体積
X線点源の検出感度もX線背景放射の低減により大幅に向上
X線背景放射の量

Giacconi et al. (1979) ApJ 230, 540
8∝ 観測立体角X線集光撮像鏡のSeedsは既にあった

Kirkpatrick-Baez optics
Kirkpatric, P.; Baez, A. V. (1948). "Formationof optical images by x-rays". Journal of the
Optical Society of America. 38 (9): 766–74.
doi:10.1364/JOSA.38.000766.

いずれもX線顕微鏡をneedsとする発明（図はWikipedia から）Wolter type I optics

Wolter type II

Wolter type III

Wolter, Hans (1952). "Glancing incidence mirror systems as imaging
optics for X-rays". Annalen der Physik. 10: 94. doi:10.1002/
andp.19524450108

Giacconiらは，Wolter type I を宇宙X線望遠鏡に適した光学系として選択し，nesting する（同心円上状に並べる）ことで，有効面積を増やした。
宇宙望遠鏡として実現するためには，鏡材の選択と加工・保持機構等の多数の開発要素に，協力なEngineeringが必要だったと推測できる。
9

軟X線拡散背景放射 (Soft X-ray Diffuse Background: SXDB)
1970年代1980年代名古屋-Leiden ロケット実験

1990年代2000年以降ROSAT衛星全天サーベイ

Wisconsin ロケット実験

３色全天マップ• 軟X線〜 0.1- 2keV (キロ電子ボルト)• 2 keV以上のX線背景放射 (=微弱な点源の重ね合わせ) の延長とは異なる放射（1968年頃既に認識されていた）• 1977年の Tanaka & Bleekerで以下が示唆されていた。

Snowden+1997• 太陽系は温度約100万度の希薄な高百武彗星からのX線放射の発
見 (Lisse+1996)
太陽圏(Heliosphere)からSXDBへの寄与の可能性

温物質に囲まれている(Local Bubble)• 加えて温度約300万度の高温物質からの放射が存在する
10

Local Bubbleは必要ない？

Suzaku,XMMNewton(ESA),
Chandra(NASA) 各衛星によるスペク
トル観測

McCammon+2002 のカロリメー
タ ロケット実験SXDBのエネルギースペクトル
1990年台までのbest spectrum

model

X-ray microcalorimeterによる breakthrough (2002年)

observation

observation
model convolved
with response

model

X線マイクロカロリメータを用いた

ガス蛍光比例計数管 (GSPC) を用いたロケット実験
Inoue+ (1979)

ロケット実験McCammon et al.
(2002).
11SXDBとX線マイクロカロリメータ
1980年代名古屋-Leiden ロケット実験
Wisconsin ロケット実験

仮説• 太陽系は温度約100万度の希薄な高温物質に囲まれている• 加えて温度約300万度の高温

1990年代2000年以降

Wisconsin ロケット実験のリーダー
赤外線天文学の観測的研究者

McCammon+ 2002 のカ
ロリメータ ロケット実験

COBE衛星のCMB研究でノーベル賞 ３色全天マップ
S. H. Moseley, J. C. Mather & D. McCammon
Thermal detectors as x-ray spectrometers
J. App. Phys. 56, 1257 (1984),
doi:10.1063/1.334129

物質からの放射が存在する
赤外線ボロメータ(seeds)

観測で仮説を証明するには，高いエネルギー分解能のスペクト
ル観測が必要空間的に広がっているので，回折格子などの分散系分光器は使えない。

エネルギー量子 (quantum)
エネルギー量子:光子，粒子線，暗黒物質

E
C

T

X線マイクロカロリ
メータ
X線光子信号に適した信号処理も提案
12

T
G

E/C

1970年代

TB
0

TB
τ=C/G
TB ∼ 100 mK

time

SXDBとX線マイクロカロリメータ
1980年代名古屋-Leiden ロケット実験
Wisconsin ロケット実験

仮説• 太陽系は温度約100万度の希薄な高温物質に囲まれている• 加えて温度約300万度の高温

1990年代2000年以降

Wisconsin ロケット実験のリーダー
赤外線天文学の観測的研究者

McCammon+ 2002 のカ
ロリメータ ロケット実験

COBE衛星のCMB研究でノーベル賞 ３色全天マップ
S. H. Moseley, J. C. Mather & D. McCammon
Thermal detectors as x-ray spectrometers
J. App. Phys. 56, 1257 (1984),
doi:10.1063/1.334129

物質からの放射が存在する
赤外線ボロメータ(seeds)

観測で仮説を証明するには，高いエネルギー分解能のスペクト
ル観測が必要空間的に広がっているので，回折格子などの分散系分光器は使えない。

エネルギー量子 (quantum)
エネルギー量子:光子，粒子線，暗黒物質

E
C

T

X線マイクロカロリ
メータ

TB

TB

τ=C/G
TB ∼ 100 mK

X線光子信号に適した信Dan McCammonは30年かけて研究の１サイクルをまわした。
0号処理も提案

12

T
G

E/C

1970年代timeニーズ志向とシーズ志向はこんな風になっている？
必要は発明の母
サイエンス目的
needs oriented
他の必要に
seedsを提供

seeds
oriented

他の必要に
seedsを提供

発明は必要の母
技術イノベーション
seeds oriented

必要な技術
を開発

他のseeds
を応用

新しい需要（サイエンス目的）を掘り起こすseeds oriented
使えそうな技術(technology)をresearchすると同時に，seedsの提供先にも常に気を配ることが大事
13http://www.astro.isas.jaxa.jp/~mitsuda/labo/

満田・山崎研の研究活動
その１
JAXA宇宙研時代の研究室（満田山崎研）の紹介図

自己紹介!"#$%& NeXT '()高エネルギー宇宙物理学の観測的研究

衛星ミッション検討・開発・運用

すざく/XIS アーカイブデータ (2005−2013)*+,- ./012

Step 1. データ選択

全天 187 方向の X 線背景放射データ

NECP-07002

90.00060.00030.000

すざく)]pc

Astro-H SXS

システムズ
エンジニアリング

34456738

sDIOS

Richard Kelley, NASA/Goddard
ー
シ

ョ

ン
-

9:;<=>?@

Z

WGで検討中

-軌
道

上

コ

12
&m


ン
フ
ィ
グ

レ

RG設置検討中Kazuhisa
欧日米 Mitsuda, ISAS/JAXA
日欧米(?)

Line Intensity / Column Density [LU / (M

観測運用終了

10315.000

Publications of the Astronomical Society of Japan, (2014), Vol. 00, No. 0

270.000

銀河中心

225.000

0

100

199

300

その始まりか101010Clusters (Bulbul+2014)
例：すざく衛星に暗黒物
M31 (Boyarsky+2014)

質としてのステライル
10
1 ニュートリノの制限
Energy [keV]

LEE-corrected 3 statistical + systematic upper limit
LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

X

Z

Y

Y

X

観
図

外

星

衛

研究とそれを用いた実験
corresponding to the ratio of DM decay rate and its mass. The

地上応用

5mm

5

200µm

極低温信号処理

銀河中心-90.000
400

500

我々の結果(Suzaku)

‒5

600

10

700

800

900

1000

10
10
10
10
10
10
10
10

DM overproduction

‒6

4/10

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)

‒7
‒8
‒9

‒10
‒11
‒12

ステライルニュートリノ
が多すぎる

Allowed region
Clusters (Bulbul+2014)
M31 (Boyarsky+2014)

Not enough DM

ステライルニュートリノが少なすぎる

‒13

1

2

5

10
ms [keV]

ステライルニュートリノの質量
パウリ原理からの制限
et al. (2016)
PASJupper
68, 57
LEE-correctedSekiya
3 statistical+ systematic
limit

LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

基礎的な物理学
宇宙物理学

LEE-uncorrected, -corrected 3σ and the LEE-corrected 3σ statistical +Fig. 6. Constraints on the sterile neutrino mass ms and mixing angle
systematic upper limits are indicated by the black dotted, dashed and solid
sin2 2θ by this and previous works. The definition of lines and marks are
超伝導X線マイクロカロ
lines, respectively. The typical 3σ upper limit by previous works (Boyarsky
the same as in Fig. 5. The grey shaded regions are excluded by the
et al. 2012) is expressed by the red dotted line. The parameters of the
production theories of sterile neutrinos in the νMSM.
リメータ
possible 3.5 keV line (Bulbul et al. 2014; Boyarsky X線マイクロ分析など
et al. 2014) are plottedmby the blue and magenta crosses.
m(熱グループ，赤外線グループと協力)

45.000

銀河系座標、マップ中心は反銀河中心

新しい観測装置のon behalf of the entire Suzaku teamFig. 5. Upper limit on the DM line intensity normalized by its column density

宇宙用冷凍機の長寿命化

90.000-60.000

ら理解する
10

10

135.000-30.000

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)10

180.000

反銀河中心

Tremaine-Gunn / Lyman-

X-Ray
Observatory
WGで検討中ATHENA X-IFU

造と進化を、

0.000

Decay Rate / Mass [s 1 / keV]The Suzaku
日米欧

高温宇宙の構8sin2 2

運用終了

ニュートリノ間の相互作用の強さ

LiteBIRD(CMB）

ened the constraints on the ratio of DM decay rate and its mass
Ti Kα
in the 0.5 – 7 keV range and the parametersof sterile neutrinos.
300 μmstudies, such as the non-resonant (Boyarsky et al. 2009a), theマイクロ波rfSQUID 16
resonant production with the maximal lepton asymmetry attainIn the future, progressive instruments such as X-ray micro8素子用超伝導8x8array
インハウス製作
素子信号多重化装置(産able in the ν MSM (Shaposhnikov 2008; Laine &STEM搭載用
Shaposhnikov calorimeters with eV-level energy resolution and the large-FoV
初段増幅回路2008). The Tremaine-Gunn phase-space density
considerations telescopes will be introduced
総研と共同研究）
satellites,
W Mα to X-ray observational
Si Kα(SQUID)
超低温検出器ヘッド(Boyarsky et al. 2009a) and the Lyman-α analysis (Boyarsky and more sensitive DM
searches will be performed.
Among
STEM分析例(NIMS)
et al. 2009b; Boyarsky et al. 2009c) ruled out the region below 1 the more hopeful instruments of near future missions, we are
マイクロマシーン技術、低温実験/超伝導/低温物性/低温回路、電子回路技術,...
(Si KαとWMαは従来
2
keV. We have added an exclude region for sin 2θ in 3<ms <14 focussed on the Soft X-ray Spectrometer (SXS) of the ASTRO14
検出器では分離できない)http://www.astro.isas.jaxa.jp/~mitsuda/labo/

満田・山崎研の研究活動
その１
JAXA宇宙研時代の研究室（満田山崎研）の紹介図

自己紹介!"#$%& NeXT '()高エネルギー宇宙物理学の観測的研究

衛星ミッション検討・開発・運用

すざく/XIS アーカイブデータ (2005−2013)*+,- ./012

Step 1. データ選択

全天 187 方向の X 線背景放射データ

NECP-07002

90.00060.00030.000

)]
pc

システムズ
エンジニアリング

34456738

sDIOS

Richard Kelley, NASA/Goddard
ー
シ

ョ

ン
-

9:;<=>?@

Z

WGで検討中

-軌
道

上

コ

12
&m


ン
フ
ィ
グ

レ

RG設置検討中Kazuhisa
欧日米 Mitsuda, ISAS/JAXA
日欧米(?)

Line Intensity / Column Density [LU / (MAstro-H SXSPublications of the Astronomical Society of Japan, (2014), Vol. 00, No. 0

270.000

225.000

0

100

199

300

10

ら理解する
10

10

10
Clusters (Bulbul+2014)
例：すざく衛星に暗黒物
M31 (Boyarsky+2014)

質としてのステライル
10
1 ニュートリノの制限
Energy [keV]

LEE-corrected 3 statistical + systematic upper limit
LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

X

Z

Y

Y

X

観
図

外

星

N
ee
ds

衛

研究とそれを用いた実験
corresponding to the ratio of DM decay rate and its mass. The

5mm

5

地上応用

200µm

極低温信号処理

銀河中心-90.000
400

500

我々の結果(Suzaku)

‒5

600

10

700

800

900

1000

10
10
10
10
10
10
10
10

DM overproduction

‒6

4/10

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)

‒7
‒8
‒9

‒10
‒11
‒12

ステライルニュートリノ
が多すぎる

Allowed region
Clusters (Bulbul+2014)
M31 (Boyarsky+2014)

Not enough DM

ステライルニュートリノが少なすぎる

‒13

1

2

5

10
ms [keV]

ステライルニュートリノの質量
パウリ原理からの制限
et al. (2016)
PASJupper
68, 57
LEE-correctedSekiya
3 statistical+ systematic
limit

LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

基礎的な物理学
宇宙物理学

LEE-uncorrected, -corrected 3σ and the LEE-corrected 3σ statistical +Fig. 6. Constraints on the sterile neutrino mass ms and mixing angle
systematic upper limits are indicated by the black dotted, dashed and solid
sin2 2θ by this and previous works. The definition of lines and marks are
超伝導X線マイクロカロ
lines, respectively. The typical 3σ upper limit by previous works (Boyarsky
the same as in Fig. 5. The grey shaded regions are excluded by the
et al. 2012) is expressed by the red dotted line. The parameters of the
production theories of sterile neutrinos in the νMSM.
リメータ
possible 3.5 keV line (Bulbul et al. 2014; Boyarsky X線マイクロ分析など
et al. 2014) are plottedmby the blue and magenta crosses.
m(熱グループ，赤外線グループと協力)

45.000

銀河系座標、マップ中心は反銀河中心

新しい観測装置のon behalf of the entire Suzaku teamFig. 5. Upper limit on the DM line intensity normalized by its column density

宇宙用冷凍機の長寿命化

90.000-60.000

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)10

135.000-30.000

その始まりか10

180.000

反銀河中心

Tremaine-Gunn / Lyman-

観測運用終了

10315.000

銀河中心

Decay Rate / Mass [s 1 / keV]

X-Ray
Observatory
WGで検討中ATHENA X-IFU

造と進化を、

0.000

sin2 2

すざく

The Suzaku
日米欧

高温宇宙の構8

ニュートリノ間の相互作用の強さ

運用終了

or
ie
nt
ed

LiteBIRD(CMB）

ened the constraints on the ratio of DM decay rate and its mass
Ti Kα
in the 0.5 – 7 keV range and the parametersof sterile neutrinos.
300 μmstudies, such as the non-resonant (Boyarsky et al. 2009a), theマイクロ波rfSQUID 16
resonant production with the maximal lepton asymmetry attainIn the future, progressive instruments such as X-ray micro8素子用超伝導8x8array
インハウス製作
素子信号多重化装置(産able in the ν MSM (Shaposhnikov 2008; Laine &STEM搭載用
Shaposhnikov calorimeters with eV-level energy resolution and the large-FoV
初段増幅回路2008). The Tremaine-Gunn phase-space density
considerations telescopes will be introduced
総研と共同研究）
satellites,
W Mα to X-ray observational
Si Kα(SQUID)
超低温検出器ヘッド(Boyarsky et al. 2009a) and the Lyman-α analysis (Boyarsky and more sensitive DM
searches will be performed.
Among
STEM分析例(NIMS)
et al. 2009b; Boyarsky et al. 2009c) ruled out the region below 1 the more hopeful instruments of near future missions, we are
マイクロマシーン技術、低温実験/超伝導/低温物性/低温回路、電子回路技術,...
(Si KαとWMαは従来
2
keV. We have added an exclude region for sin 2θ in 3<ms <14 focussed on the Soft X-ray Spectrometer (SXS) of the ASTRO14
検出器では分離できない)http://www.astro.isas.jaxa.jp/~mitsuda/labo/

満田・山崎研の研究活動
その１
JAXA宇宙研時代の研究室（満田山崎研）の紹介図

自己紹介!"#$%& NeXT '()高エネルギー宇宙物理学の観測的研究

衛星ミッション検討・開発・運用

すざく/XIS アーカイブデータ (2005−2013)*+,- ./012

Step 1. データ選択

全天 187 方向の X 線背景放射データ

NECP-07002

90.00060.00030.000

)]
pc

システムズ
エンジニアリング

34456738

sDIOS

Richard Kelley, NASA/Goddard
ー
シ

ョ

ン
-

9:;<=>?@

日欧米(?)

Z

WGで検討中

-軌
道

上

コ

12
&m


ン
フ
ィ
グ

レ

RG設置検討中Kazuhisa
欧日米 Mitsuda, ISAS/JAXA

Line Intensity / Column Density [LU / (MAstro-H SXSPublications of the Astronomical Society of Japan, (2014), Vol. 00, No. 0

270.000

225.000

0

100

199

300

10

ら理解する
10

10

10
Clusters (Bulbul+2014)
例：すざく衛星に暗黒物
M31 (Boyarsky+2014)

質としてのステライル
10
1 ニュートリノの制限
Energy [keV]

LEE-corrected 3 statistical + systematic upper limit
LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

Y

Y

X

Z

X

観
図

外

星

N
ee
ds

衛

研究とそれを用いた実験
corresponding to the ratio of DM decay rate and its mass. The

マイクロ波rfSQUID 16

5mm

5

地上応用

200µm

極低温信号処理

Seeds
orientedstudies, such as the non-resonant (Boyarsky et al. 2009a), the
8素子用超伝導銀河中心-90.000
400

500

我々の結果(Suzaku)

‒5

600

10

700

800

900

1000

10
10
10
10
10
10
10
10

DM overproduction

‒6

4/10

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)

‒7
‒8
‒9

‒10
‒11
‒12

ステライルニュートリノ
が多すぎる

Allowed region
Clusters (Bulbul+2014)
M31 (Boyarsky+2014)

Not enough DM

ステライルニュートリノが少なすぎる

‒13

1

2

5

10
ms [keV]

ステライルニュートリノの質量
パウリ原理からの制限
et al. (2016)
PASJupper
68, 57
LEE-correctedSekiya
3 statistical+ systematic
limit

LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

基礎的な物理学
宇宙物理学

LEE-uncorrected, -corrected 3σ and the LEE-corrected 3σ statistical +Fig. 6. Constraints on the sterile neutrino mass ms and mixing angle
systematic upper limits are indicated by the black dotted, dashed and solid
sin2 2θ by this and previous works. The definition of lines and marks are
超伝導X線マイクロカロ
lines, respectively. The typical 3σ upper limit by previous works (Boyarsky
the same as in Fig. 5. The grey shaded regions are excluded by the
et al. 2012) is expressed by the red dotted line. The parameters of the
production theories of sterile neutrinos in the νMSM.
リメータ
possible 3.5 keV line (Bulbul et al. 2014; Boyarsky X線マイクロ分析など
et al. 2014) are plottedmby the blue and magenta crosses.
m(熱グループ，赤外線グループと協力)

45.000

銀河系座標、マップ中心は反銀河中心

新しい観測装置のon behalf of the entire Suzaku teamFig. 5. Upper limit on the DM line intensity normalized by its column density

宇宙用冷凍機の長寿命化

90.000-60.000

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)10

135.000-30.000

その始まりか10

180.000

反銀河中心

Tremaine-Gunn / Lyman-

観測運用終了

10315.000

銀河中心

Decay Rate / Mass [s 1 / keV]

X-Ray
Observatory
WGで検討中ATHENA X-IFU

造と進化を、

0.000

sin2 2

すざく

The Suzaku
日米欧

高温宇宙の構8

ニュートリノ間の相互作用の強さ

運用終了

or
ie
nt
ed

LiteBIRD(CMB）

ened the constraints on the ratio of DM decay rate and its mass
Ti Kα
in the 0.5 – 7 keV range and the parametersof sterile neutrinos.
300 μmresonant production with the maximal lepton asymmetry attainIn the future, progressive instruments such as X-ray micro8x8array
インハウス製作
素子信号多重化装置(産able in the ν MSM (Shaposhnikov 2008; Laine &STEM搭載用
Shaposhnikov calorimeters with eV-level energy resolution and the large-FoV
初段増幅回路2008). The Tremaine-Gunn phase-space density
considerations telescopes will be introduced
総研と共同研究）
satellites,
W Mα to X-ray observational
Si Kα(SQUID)
超低温検出器ヘッド(Boyarsky et al. 2009a) and the Lyman-α analysis (Boyarsky and more sensitive DM
searches will be performed.
Among
STEM分析例(NIMS)
et al. 2009b; Boyarsky et al. 2009c) ruled out the region below 1 the more hopeful instruments of near future missions, we are
マイクロマシーン技術、低温実験/超伝導/低温物性/低温回路、電子回路技術,...
(Si KαとWMαは従来
2
keV. We have added an exclude region for sin 2θ in 3<ms <14 focussed on the Soft X-ray Spectrometer (SXS) of the ASTRO14
検出器では分離できない)

学際領域

http://www.astro.isas.jaxa.jp/~mitsuda/labo/

満田・山崎研の研究活動
その１
JAXA宇宙研時代の研究室（満田山崎研）の紹介図

自己紹介!"#$%& NeXT '()高エネルギー宇宙物理学の観測的研究

衛星ミッション検討・開発・運用

すざく/XIS アーカイブデータ (2005−2013)*+,- ./012

Step 1. データ選択

全天 187 方向の X 線背景放射データ

NECP-07002

90.00060.00030.000)]pc

Engineering
sDIOS

システムズ
エンジニアリング

34456738

Richard Kelley, NASA/Goddard
ー
シ

ョ

ン
-

9:;<=>?@

日欧米(?)

Z

WGで検討中

-軌
道

上

コ

12
&m


ン
フ
ィ
グ

レ

RG設置検討中Kazuhisa
欧日米 Mitsuda, ISAS/JAXA

Line Intensity / Column Density [LU / (MAstro-H SXSPublications of the Astronomical Society of Japan, (2014), Vol. 00, No. 0

270.000

225.000

0

100

199

300

10

ら理解する
10

10

10
Clusters (Bulbul+2014)
例：すざく衛星に暗黒物
M31 (Boyarsky+2014)

質としてのステライル
10
1 ニュートリノの制限
Energy [keV]

LEE-corrected 3 statistical + systematic upper limit
LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

Y

Y

X

Z

X

観
図

外

星

極低温信号処理5mm
Engineering5マイクロ波rfSQUID 16

地上応用

Seeds
orientedstudies, such as the non-resonant (Boyarsky et al. 2009a), the
8素子用超伝導銀河中心-90.000
400

500

我々の結果(Suzaku)

‒5

600

10

700

800

900

1000

10
10
10
10
10
10
10
10

DM overproduction

‒6

4/10

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)

‒7
‒8
‒9

‒10
‒11
‒12

ステライルニュートリノ
が多すぎる

Allowed region
Clusters (Bulbul+2014)
M31 (Boyarsky+2014)

Not enough DM

ステライルニュートリノが少なすぎる

‒13

1

2

5

10
ms [keV]

ステライルニュートリノの質量
パウリ原理からの制限
et al. (2016)
PASJupper
68, 57
LEE-correctedSekiya
3 statistical+ systematic
limit

LEE-corrected 3 statistical upper limit
LEE-uncorrected 3 statistical upper limit

基礎的な物理学
宇宙物理学

LEE-uncorrected, -corrected 3σ and the LEE-corrected 3σ statistical +Fig. 6. Constraints on the sterile neutrino mass ms and mixing angle
systematic upper limits are indicated by the black dotted, dashed and solid
sin2 2θ by this and previous works. The definition of lines and marks are
超伝導X線マイクロカロ
lines, respectively. The typical 3σ upper limit by previous works (Boyarsky
the same as in Fig. 5. The grey shaded regions are excluded by the
et al. 2012) is expressed by the red dotted line. The parameters of the
production theories of sterile neutrinos in the νMSM.
リメータ
possible 3.5 keV line (Bulbul et al. 2014; Boyarsky X線マイクロ分析など
et al. 2014) are plottedmby the blue and magenta crosses.
m

200µm

グループと協力)

N
ee
ds

衛

研究とそれを用いた実験
corresponding to the ratio of DM decay rate and its mass. The(熱グループ，赤外線

45.000

銀河系座標、マップ中心は反銀河中心

新しい観測装置のon behalf of the entire Suzaku teamFig. 5. Upper limit on the DM line intensity normalized by its column density

宇宙用冷凍機の長寿命化

90.000-60.000

LEE-uncorrected 3σ (Boyarsky+2012)10

135.000-30.000

その始まりか10

180.000

反銀河中心

Tremaine-Gunn / Lyman-

観測運用終了

10315.000

銀河中心

Decay Rate / Mass [s 1 / keV]

X-Ray
Observatory
WGで検討中ATHENA X-IFU

造と進化を、

0.000

sin2 2

すざく

The Suzaku
日米欧

高温宇宙の構8

ニュートリノ間の相互作用の強さ

運用終了

or
ie
nt
ed

LiteBIRD(CMB）

ened the constraints on the ratio of DM decay rate and its mass
Ti Kα
in the 0.5 – 7 keV range and the parametersof sterile neutrinos.
300 μmresonant production with the maximal lepton asymmetry attainIn the future, progressive instruments such as X-ray micro8x8array
インハウス製作
素子信号多重化装置(産able in the ν MSM (Shaposhnikov 2008; Laine &STEM搭載用
Shaposhnikov calorimeters with eV-level energy resolution and the large-FoV
初段増幅回路2008). The Tremaine-Gunn phase-space density
considerations telescopes will be introduced
総研と共同研究）
satellites,
W Mα to X-ray observational
Si Kα(SQUID)
超低温検出器ヘッド(Boyarsky et al. 2009a) and the Lyman-α analysis (Boyarsky and more sensitive DM
searches will be performed.
Among
STEM分析例(NIMS)
et al. 2009b; Boyarsky et al. 2009c) ruled out the region below 1 the more hopeful instruments of near future missions, we are
マイクロマシーン技術、低温実験/超伝導/低温物性/低温回路、電子回路技術,...
(Si KαとWMαは従来
2
keV. We have added an exclude region for sin 2θ in 3<ms <14 focussed on the Soft X-ray Spectrometer (SXS) of the ASTRO14
検出器では分離できない)

学際領域

Engineeringする• 「Engineering ができているか？」という表現をきいたことがありますか？
• 実験がうまくゆかない時，その理由として，Technologyはよくても，
Engineeringができていない場合が多い。

15

Technology と Engineering
Technology:
1. scientific knowledge used in practical ways
in industry, for example in designing new
machines
2. machines or equipment designed using
technology

Engineering
1. the activity of applying scientific knowledge to thedesign, building and control of machines, roads,
bridges, electrical equipment, etc.
2. (also engineering science) the study ofengineering as a subject(from Oxford Learner’s Dictionary)

訳語は1.2.とも技術

訳語は1.は技術 又は工学，２は工学Technology は物理法則に従う世界

Engineeringは，人によるもの作り／コト作り•Engineeringは物理法則だけでなく，作りたいコトの特性，人間の特性，使用可能なtechnologyや工業水準にも依存する。経験則や経験値も重要になる。

(Oxford Learner’s Dictionary online)•コトの中には，技術開発(Technology R&D)，イノベー
ションや科学研究も含まれるEngineeringはこれらにおいても有用。例：研究をengineeringする。
16

ヒトによるコト作りの側面が特に強い例
Systems engineering

Engineering Judge• ものづくり（e.g. 衛星プロジェクト）の世界にいると，しばしば，Engineering judge という概念に出会う。

•システムズエンジアリングとは，実現に必要な複数分野の専門家を束ねて，Engineered システムを実現するためのアプローチ（成功確率を高める
考え方と手段）。

標準化されているEngineering judgeの例• 設計検証を目的とする試験でかける負荷(QT level)と，製品検証を目的とする試験でかける負荷(AT level) の関係• 宇宙機ではQTは負荷と時間を2倍にとるのが標準• 最大負荷時に，使用する材料内部で発生する最大応力と，材料が耐える最大応力との関係（Margin ofsafty)• 宇宙機では金属であれば，1.25 (地上の装置に比べると小さい値でよいとされている）
標準化されていない特別な場合にjudgeが必要になることもよく発生する。そこでは経験値が重要。

•ここでEngineered システムとは，定義された目的を成し遂げるために，相互作用する複数の要素を組み合わせて，ヒトが実現しようとする
もの／コト。
•システムの実現には，アーキテクチャ設計の経験値が必要•研究もヒトが実現しようとするコトの一つなので，対象になり得る。
➡ KEK QUP システモロジー支援セクションの目的の一つ。
17

日米欧の宇宙物理・天文学の研究機関の私的印象• 日本は，（分野を絞ることで）Science と Technologyでは互角，あるいはそれ以上にやれている。
• しかし，Engineeringでは日本が圧倒的に負けている。
• 私の付き合いのある，米国 MIT (Center for space research)とNASA/
GSFC, オランダSRON が比較範囲であるが。。
• このままでは，大型の装置が自前で作れなくなる。
• 海外の機関との共同開発で，彼らのEngineeringを実感することは，機器開発研
究者をめざすなら有用な経験になる。
• 海外機関との共同開発の経験とその深さで，その人の研究開発のアプローチに違いがある，という印象を持っている。
• そんな中で，国立天文台の先端技術センター(ATC)は，Technologyだけでなく，Engineeringもちゃんとやることをめざしている。
• 先端技術センターの「技術」はTechnologyの「技術」であるが。。。
18

国立天文台(NAOJ) 先端技術センター(ATC)組織図
センター長(Director)
副センター長(Vice Director)
開発推進グループ(Management andadministration group)
先端ミッション機器開発
グループ(Advanced mission
instrumentation group)

システム設計グループ(System design group)

製造設計グループ（Manufacturing
design group）

ATC運営会議 (Strategic planning committee)
設備管理・運用チーム (Facility management and operation team)
事務支援 (Administration team)
情報技術支援 (IT support team)
光赤外ミッション機器チーム (Opt/IR mission instrumentation team)
電波ミッション機器チーム (Radio mission instrumentation team)
スペースミッション機器チーム (space mission instrumentation team)
熱構造設計チーム (Thermal and mechanical engineering team)
検出器設計チーム (Sensor engineering team)
光学設計チーム (Optics engineering team)
機械加工チーム (Machining engineering team)
造形チーム (Additive-manufacturing engineering team)
計測評価チーム (Measurement and evaluation team )

19

主として
Engineeringを担う

これからの新しい観測技術の方向性• 何事も不可能だと思う必要はない• 他分野を含めた技術の進歩が（知らないところで進み），近い将来どうにかなるか
もしない。
例えば
• ソフトウエアを含めた情報処理技術• 電子回路の集積化，省電力化• 冷却技術……
• 超小型衛星の編隊飛行技術• X線分野の例• Full High Definition 相当の画素数と分光能力>1000の面分光装置• Sub arc secの空間分解能の集光撮像光学系
20

X線分野の例(1)• Full HDTV相当 (2M) に迫る画

現状で考えられるのはマイクロカロリメータの延長

素数と，光赤外の面分光装置

例えば，TES型マイクロカロリメータ＋マイクロ波(IFU)に匹敵する R ≥ 1000 の分

信号多重化

光能力を持つ面分光装置• XRISMの 36 pixelsでは面分
光とは呼べない。

• 2030年代前半に打ち上げを

40ch MW-MUX Chip

MW in

4K

0.5 K

Bias Chip

50 mK

TES

Flux Rampin
25-pinNano D-sub

Isolator

Flux Ramp
out

めざすAthena 衛星搭載の観測装置X-IFU

3k pixels，

E/ΔE = 1000 − 5000

80 Frequency combs
55Fe X-ray

Source210-turn
SC CoilMW out
10 dB Attenuator
PCB

DC Block-

Oxygen-Free Cu sample holder

Thermometer-

AD1000 (ARLON)
0.762 mm thickness
r: 10.35
tan : ~ 0.002 (4‒8 GHz)

まだ100pixelsのオーダー

ΔE = 3.4eV@5.9keV

Nakashima+2020
21

X-rayHard X-ray
Gamma-ray

X線分野の例(2)• sub arc sec 空間分解能の集光撮像光学系• これまでのBestは Chandra衛星(1999

6 keV
100 keV
1 MeV

0.2 nm12 pm
1.2 pm105 m
6.25 m62.5 cm

多段のphase shifterを持つ，(b,c)の間の光学系も可能

Skinner+ 2003

年打ち上げ)の0.5秒角• X線の望遠鏡は回折限界には全く達していない。
候補：回折光学素子（DOE: Diffractive
Optical Element）• Zone Plate (図のa)，Phase Zone plate (bおよびbとcの中間)，Fresnel Lense (c)• 放射光の分野でzone plateはしばしば使われている。
• めざす空間分解能により，焦点距離と素子直径に幅広い選択肢。
• 一般に，視野の狭さと集光面積を大きくできない問題。

throughput

1/π 2=0.1 π 2 /4=0.4

Figure 1. (a) A Fresnel Zone Plate (FZP), (b) A Phase Zone Plate (PZP) (c) A Phase Fresnel Lens (PFL)•可視光のDOI光学系はCD/DVDのoptical discのピックアップのレンズとして実用化されている。
•X線に必要なnano scaleの微細構造はChandra衛星のTransmission Gratingで実現している。
22

まとめ

• 自己紹介：これまでの研究• スペースからの天文学・宇宙物理学に必要な３つの研究フェーズ，観測的研究，観測装置研究開
発，宇宙ミッションの検討と推進，を同時に進めてきた。
• 必要は発明の母か，発明は必要の母か？
• X線天文学分野における二つの重大な発明，X線集光撮像光学系，X線マイクロカロリメータどち
らもneedsが生じたときに，seedsが既に存在していて，それを「発見した」。
• needsに対してseedsを十分にresearchすること，逆にseedsにあったneedsをresearchすることが重要。
• TechnologyとEngineering• Technologyは，物理法則に従う世界。Engineeringは，ヒトによるコト作りの世界。
• システムズエンジニアリングはヒトによるコト作り要素が強い例→ 研究をengineeringする試み (KEK QUP)
• 日本の研究機関は，米欧の研究機関に比べて Engineeringが弱い（私見）。なんとかしないと，大型の装置が作れなくなる。 → NAOJ ATCのengineeringの取り組み• これからの新しい技術の方向性• 何事も不可能だと思う必要はない。他分野を含めた技術(seeds)が知らないところで進んでいる。
• X線分野の例：Full HDTV 面分光，sub arc secの集光撮像光学系
23