NICER

NICER（英:Neutron star Interior Composition Explorer) は国際宇宙ステーション(ISS)に搭載されたNASAのX線望遠鏡である。

概要

中性子星内部の高圧・高密度な極限状態について調べることが目的であり、中性子星全体を重力的・電磁気学的・原子核物理学の観点から研究できるよう設計されている。
NASAによる宇宙探査機計画の1つである「エクスプローラー計画」の一部として、NICERは軟X線と呼ばれる比較的エネルギーの低い(0.2～12keV)X線についてこれまでに例のない高感度で、中性子星から放出される熱放射・非熱的放射を回転分光と呼ばれる手法で観測し、中性子星の内部構造や動的現象の起源、中性子星が既知の加速機構の中でも最も強く宇宙線を加速する仕組みを探査する。

NICERのプロジェクトは専用のX線の分光装置やタイミング装置(X線の届いた時刻を正確に測定する機器)の開発によってこれらの目標を達成し、2013年4月にNASAによって打ち上げの実現に向け"formulation phase"と呼ばれる選抜を受け承認された。同じタイミングで選抜されたミッションとして、現在太陽系外惑星の発見において大きな成果を上げているTESSがある。

NICERの主要な天文観測とは別の拡張ミッションも同時に行われる。NICER-SEXTANTは、中性子星観測と同じ装置を使用するが、天文観測目的ではなくX線パルサー航法・測位システムをテストするためのプロジェクトである。また、XCOMはMXS(Modulated X-ray Source)と呼ばれるISS上のNICERから少し離れた位置に設置されたX線パルスを送信する装置を用いて、NICERに向けてX線を送りX線通信を試験するミッションである。これらのうち、2018年1月にX線ナビゲーションの実証試験が始まった。

拡張ミッションのほかにも、突発現象が生じた際の緊急観測にも数多く応じている。

打ち上げ
通常の独立して飛行・周回する人工衛星とは違い、軌道上を周回するISSに搭載する形になるため、ISSからの電源供給を行うことができるか懸念があった。それでも2015年5月にNICERはこの問題を解決したとして詳細設計審査を通過し、2016年の打ち上げが決まった。ISSに補給物資を運ぶスペースXの補給船であるドラゴン宇宙船に積載し、ISSに運んだあとISSの所定位置に設置する。
しかし2015年6月に、ドラゴン宇宙船による商業補給としては7号機であるスペースX CRS-7の空中分解事故により宇宙船側が対策に追われることになり、最終的に打ち上げは2017年6月3日まで延期した。 事故を起こした時のロケットの改良型であるファルコン9フル・スラストに搭載された補給機として11号機であるCRS-11によりISSに無事届けられ設置された。

科学観測機器
NICERの主要科学観測機器はXTI(X-ray Timing Instrument)と呼ばれている、56個のX線検出器を並べた検出器である。この検出器は、集めたX線光子のエネルギーと検出器に到達した時間を高精度に記録する。GPS受信機が搭載されているので、X線の到達時刻と到達したときの検出器の位置を正確に記録することができ、時刻の計測誤差は300ナノ秒を下回る精度である。この検出器は中性子星からの熱放射に最も特化した、1.5keVのX線を最も高感度に検出するようになっている。

パルサーと呼ばれる中性子星の中には数ミリ秒ごとにパルスのようにX線を発するが、NICERは高感度でかつ時間分解能が優れているため、パルス1つの波形を正確に測定することができる。現代の理論では中性子星の半径と質量によってこの波形が決定されるとされており、NICERの観測により中性子星の大きさと質量が決定できる。特に質量を決定することは容易なのに対し半径の決定は非常に難しく、この観測によってはじめて高精度に決定される。また半径と質量の比率が決まると密度が決定されるため中性子星内部の状態方程式を記述することができるが、原子核内部よりも高密度とされている中性子星内部の状態を記述できれば、極限まで高密度な物質の状態についての解明につながる。

ISSに載って軌道を周回する間にNICERは2つから4つのターゲットを観測する。90分で地球を周回するためNICERから見た天体の位置は高速で変化するが、NICERに搭載されたスタートラッカーとNICERの向く方向を制御する回転台によってずっと同じ天体を観測することができる。NICERの科学目標を達成するために、1年半をかけて1500万秒の露光時間をかけて観測を行う。

この他、ISSに搭載された日本が開発した全天X線監視装置(MAXI)と協力体制をとることで、MAXIが監視中に発見したX線の突発現象についてすぐにNICERが高精度観測を行うという連携も実現している。

X線パルサー航法とX線通信実験

X線パルサー航法
NICERの拡張ミッションとして、"SEXTANT"(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)がX線パルサー航法の技術実証を目的として行われる。GPS衛星からの電波パルスの代わりに3つ以上のパルサーから届くX線パルスを利用し、GPSの電波が届かない深宇宙でも自らの位置を把握することができる技術である。最初のデモンストレーションでは2日間の観測で7kmの精度でNICERの位置を決定することができたが、次の段階では3km以内、最終的には1km以内まで決定精度を良くすることを目標としている。

X線通信
NICERのもう1つの拡張ミッションとして、X線パルスを高速で生成するMXS(Modulated X-ray Source)と呼ばれる装置も用いてX線通信の実証実験"XCOM"が行われている。これはNICERが設置された当初はISSに搭載されていなかったが、2019年2月にこの年の春頃からこのミッションを行うことが決定し、2019年5月にXCOMのためのMXSなどの装置がISSに運ばれ、NICERから少し離れた位置に設置された。MXSは送信するデータをX線のパルスデータにエンコードし、NICERに向けて送信する。従来、宇宙機との交信は電波や赤外線通信が実用化されているが、その代わりにこれらの電磁波より波長の短い(=1つの波を送るのに要する時間が短くて済む)X線のパルスを用いることで、同じ時間あたりでもより多くの波を送ることができる。これにより深宇宙でもギガビット通信が可能になることが期待されている。

主要な成果
2018年の5月に、これまで発見された中で最も公転周期の短いX線パルサー連星を発見した。パルサーと恒星が互いに公転する連星パルサーであるが、公転周期はわずか38分であることが分かった。
2019年8月21日に、これまで観測された中で最も明るいX線バーストを観測した。SAX J1808.4−3658と呼ばれるいて座方向にある11000光年先の中性子星からのバーストであり、この天体はもともと最初に発見されたX線ミリ秒パルサーと知られている。
MAXIが発見したX線新星4つと恒星のフレア6つの追観測をNICER運用開始からの1年間で行った。2018年6月5日に発見されたMAXI J1727−203は報告からわずか70分でNICERが追観測された。
2020年には中性子星の持つ特徴のうちマグネターと呼ばれる強大な磁場を持つ性質と、電波パルサーと呼ばれる周期的に電波を発する性質を併せ持つSwift J1818.0-1607と呼ばれる稀な天体を発見した。
臼田宇宙空間観測所や鹿島宇宙技術センターの電波望遠鏡と協働し、かに星雲の中心にあるパルサーについて巨大電波パルスと呼ばれる電波での増光の際に同時にX線でも明るくなる様子を2017年以降15回も観測した。鹿島宇宙技術センターの電波望遠鏡はこのあと2019年の台風15号で大破・運用終了し、最後の観測成果の1つとなった。
ブラックホールからのX線の観測も行っており、2018年からは200回以上にわたりりゅう座の1ES 1927+654と呼ばれる銀河にあるブラックホール周囲からのX線が激しく増減光する様子をとらえた。
2021年には、eROSITAなど他のX線望遠鏡と共同で、可視光線での観測では静穏だと考えられていた複数の銀河でX線では銀河中心のブラックホールによる爆発的な増光が周期的に起こっていることが発見された。

脚注

関連項目 
チャンドラX線天文台 - 1999年に打ち上げられた、NASAのフラッグシップであるX線望遠鏡
NuSTAR - 2012年に打ち上げられた、NASAの小型クラスの高エネルギーX線望遠鏡
RXTE - 1995年から2012年まで運用されたNASAのX線望遠鏡
X線観測衛星
X線パルサー航法
XMM-Newton - 1999年に打ち上げられた、ESAのX線望遠鏡

外部リンク 
NASA GSFCによるNICERのwebsite
NASAによるNICERのwebsite 
NICER設置時のアニメーション・映像

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