神戸大など、従来の40倍以上も高解像度のガンマ線望遠鏡の開発技術を確立

神戸大学と名古屋大学(名大)の両者は12月22日、従来の40倍を超える高解像度を実現する銀塩写真フィルム「エマルションフィルム(原子核乾板)」を用いた新奇ガンマ線望遠鏡の技術を確立させ、科学運用へ向けて大きく前進したことを共同で発表した。

「ほ座」パルサーのガンマ線画像を用いた、従来と今回の像の広がりの比較。従来に比べ、圧倒的にコンパクトとなっている(出所:名大プレスリリースPDF)

同成果は、神戸大大学院人間発達環境学研究科の青木茂樹教授、同・高橋覚特命助教、名大大学院理学研究科の中野敏行准教授、名大未来材料・システム研究所の六條宏紀助教、同・中村悠哉機関研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、米天体物理学専門誌「The Astrophysical Journal」に掲載された。

物理学では、X線もガンマ線も起源が異なるだけで(原子核起源がガンマ線、それ以外がX線)、エネルギーが同じなら区別をつけられないが、天文学ではガンマ線とX線は波長域の違いで区別され、1～0.01nmまでがX線で、0.01nmよりも短いものがガンマ線として定義されている。宇宙ではパルサーや「ガンマ線バースト」など、実に数多くの天体から高エネルギーのガンマ線が放射されており、その観測は現在の天文学では重要な一分野だ。

高エネルギーガンマ線の波長は原子核サイズ以下となるため、X線までの電磁波のように、鏡などの光学系で集光や結像することが原理的に困難であり、他波長に比べて桁違いに解像度が劣るなど、ガンマ線望遠鏡の開発は技術的に容易ではないという。

高エネルギーガンマ線と物質との相互作用は電子対生成反応が支配的となり、それを捉えることで、親であるガンマ線の各種情報(到来時刻・到来方向・エネルギー・偏光)を測定することが可能だ。つまり、電子対を捉える能力がガンマ線観測能力に直結するのである。そこで研究チームは、荷電粒子の飛跡を記録することに特化させたエマルションフィルムを用いた宇宙高エネルギーガンマ線望遠鏡の開発計画「GRAINE」をスタートさせたとする。

エマルションフィルムは、ガンマ線電子対生成反応を極めて緻密に捉えることが可能だ。さらに、ガンマ線に対して優れた角度分解能およびガンマ線偏光に対する感度を持たせることができ、その上で大面積化も比較的容易である。こうした優れた特性から、高エネルギーのガンマ線(サブギガ電子ボルト～ギガ電子ボルト帯)でも、その痕跡を極めて緻密に捉えることが可能になるという。そこに、超高速自動解析技術および時刻情報付与技術を導入することによって、「世界最高角度分解能」「世界初偏光有感」「世界最大口径面積」を実現できるとして、開発計画が進められている。

エマルションガンマ線望遠鏡の概念図。同望遠鏡は、エマルションフィルムを積層したコンバータ、時刻付与機構多段シフタ、姿勢監視スターカメラから構成される。コンバータでガンマ線電子対生成反応を捉え、時刻付与機構で時刻情報を付与し、姿勢監視情報と併せることで天球に対する到来方向が決定される仕組みだ(出所:名大プレスリリースPDF)

GRAINE計画は長い歴史があり、これまで2011年・2015年・2018年には、開発されたエマルションガンマ線望遠鏡を気球に搭載して長時間の飛翔実験も実施されている。特に2018年の時は、望遠鏡の大幅な改良が施された上で、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の「豪州大気球実験」が実施され、口径面積3800cm²の望遠鏡により総飛翔時間17.4時間の実験が成し遂げられた。この時は、既知のガンマ線放射天体である「ほ座パルサー(Vela pulsar/PSR B0833-45)」からのガンマ線を捉えることを目標に、望遠鏡の総合的な性能実証が目指された。

2018年気球実験でのエマルションガンマ線望遠鏡(与圧容器を閉じる前)。与圧容器リング内側(短手方向1.5m)に多段シフタが、その上にエマルションフィルムパックが搭載されている。エマルションフィルムは1ユニットあたりの大きさが37.8cm×25cm、厚み方向に113枚が積まれている。それらを4ユニット並べ、口径面積3780cm²が実現されている。与圧容器リング外側には3方位を向いたスターカメラのレンズ(黒)が見える(出所:名大プレスリリースPDF)

そして現像後のエマルションフィルムおよびストレージデータが日本に持ち帰られ、1年を超える飛翔データの解析が行われた。超高速自動飛跡読取装置「HTS」を用いて、延べ40m²のエマルションフィルムから精度1万分の1mm(0.1μm)で合計数兆本の飛跡を読み出すことに成功。読み出された飛跡をフィルム間で再構成し、ガンマ線電子対生成事象が1千万本選び出された。次に時刻情報が付与され、姿勢監視情報と併せることで、いつ・どこから飛来したのかが決定され、ほ座パルサーからのガンマ線約40本の絞り込みが達成された。さらに従来のガンマ線望遠鏡に対し、40倍を超える高解像度が実現された。

これまでの成果により、エマルション望遠鏡による宇宙ガンマ線観測の展望が拓かれたとする。この経験・実績を基に、今後は口径面積・観測時間の拡大を図り、科学観測の開始を目指すとしている。その先駆けとなる気球実験が今回の成果によって採択され、2023年5月にJAXAによる新たな豪州大気球実験が実施された。この時のエマルションガンマ線望遠鏡の口径面積は2.5m²まで拡大され、総飛翔時間も27時間と、1日を超えたとした。