雷放電からガンマ線と同時に中性子と陽電子を観測したことで光核反応の存在を確認

雷放電からガンマ線と同時に中性子と陽電子を観測したことで光核反応の存在を確認

京都大学の榎戸輝揚特定准教授と、当研究室の和田有希(理研JRA兼)、古田禄大、中澤知洋講師、元理化学研究所の湯浅孝行博士、日本原子力研究開発機構の土屋晴文研究副主幹、北海道大学の佐藤光輝講師らの研究グループは、雷放電からの高エネルギーガンマ線が、「光核反応」と呼ばれる原子核反応により、中性子と、陽電子を放出する13Nなどの放射性同位体を生み出していることを、世界で初めて観測的に突き止めました。

論文は11月23日(イギリス時間11月22日)に、英国の学術誌 Nature に掲載されました( Nature page )。

メインサイト:京都大学のプレスリリース: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2017/171123_1.html
プレスリリース資料: https://thdr.info/files/20171123_雷が反物質をつくる_京大プレスリリース.pdf
東京大学理学部のプレスリリース:http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2017/5649/


補足

我々のグループは2006年より、冬季の日本海沿岸の活発な雷活動からくるガンマ線の観測研究を進めてきました。ガンマ線のエネルギーは30 MeV (メガ電子ボルト) に達します。これは大気分子や原子を電離させるだけでなく、大気中の原子核と「光核反応」を起こして、中性子や放射性同位体を生み出す可能性があり、これまでも理論的には議論されてきましたが、ガンマ線の信号に埋もれたり、そもそも中性子の信号が少なかったりして、観測的に実証はされてきませんでした。

雷雲中の電場で電子が加速され30 MeV に達するガンマ線を放射する不思議な現象は、2000年ごろに発見された比較的新しいもので、観測研究が活発に進められています。最初は、宇宙から観測される突発的なガンマ線 Terrestrial Gamma-ray Flash (TGF)として発見されました。同時に原子力発電所の放射線モニターのデータから、冬の日本海沿岸で、雷雲自体が1分以上にわたってガンマ線を放射する「ロングバースト」が発見されました。我々も主にこのロングバーストを狙って精力的に研究を進めてきました。

これとは別に、地上観測では「ショートバースト」と呼ばれる現象が知られています。これは、雷放電とほぼ同時に発生じ、約 100ミリ秒で減衰する特徴的なガンマ線放射です。雷放電と同期する点ではTGFとよく似てますが、TGFは約 1ミリ秒で減衰するため、時定数が2桁近くも異なります。そのため、従来、ショートバーストとTGFは「雷放電に同期する、2つの異なる高エネルギー現象」と考えてられてきました。

今回、我々はこれを覆し、ショートバーストとTGFが、共通の現象の、異なる側面であることを世界で初めて確認しました。

2017年2月6日に観測された現象は、一見、いつものショートバーストでした。しかし、観測機器の性能向上で1つ、スペクトルと時間変動の解釈で1つ、観測装置の数をこれまでの1−2カ所から4カ所に増やしたことで1つ、計3つの決定的な新しい知見が得られたのです。

1つ目は、アナログ回路の飽和です。これまでの装置では見落としていたのですが、新しい読み出し回路を用いたことで、最初に1ミリ秒ほどにわたってアナログ回路が激しく飽和していることが確認されました。これは、ショートバーストの冒頭に非常に強烈なガンマ線放射が到来したと考えることで説明できます。宇宙で観測されるTGFが地上に向かい、加速器から観測装置への距離の違いが、圧倒的に強いガンマ線強度を生んだと解釈できます。

2つ目がこの100 ミリ秒成分の性質の理解です。ショートバーストと呼んできた現象そのもので、指数関数で示す減衰時間が40-60 msです。これは光核反応でできた 10 MeV程度の高速中性子が、大気中で散乱してエネルギーを失い、周辺物質に吸収されるタイムスケール 56 ms とよく一致します。そこで我々はそのスペクトルをよく見ることにしました。すると、中性子を大気中の窒素原子などが吸収する時に出る特徴的な放射でよく説明できることがわかりました。

3つ目が、雷放電の数秒から数十秒後に、一部の検出器で観測された 511 keV のラインガンマ線です。これは、電子・陽電子の対消滅に伴って放射されるものです。光核反応によって、大気中に13Nなどの放射性同位体が大量に生成され、これがゆっくりと陽電子を出しながら崩壊しつつ、風で検出器の上空を流されてゆく様子をとらえたと考えられます。

この3つの証拠を1つのイベントから明確にとらえたことで、「下向きのTGF (明るすぎて計測困難)が、光核反応で中性子を生んで ~60ミリ秒で減衰するショートバーストを生じ、同時に生成された13Nなどの放射性同位体が数十秒に亘って電子・陽電子の対消滅線を生みだした」という統一的な描像に初めて到達できました。TGFとショートバーストの違いは、地上ではこれまで最初の「下向きのTGF」が強烈すぎるゆえに見落としていたこと、逆に宇宙では中性子の信号が少なすぎて見えていないことで、よく説明できるのです。

詳細はプレスリリースドキュメントをごらんください。投稿時の論文ドラフトは ここにあります。

本研究は、学術系クラウドファンディング academist、日本学術振興会・科研費、宇宙線研究所・共同利用研究などの資金に支えられ、我々のグループの人工衛星搭載のX線・ガンマ線装置の開発技術を応用して進められました。観測にあたっては、東京電力ホールディングス株式会社にお世話になりました。ここに深く御礼を申し上げます。

 

2017-11-23
 

2017年進学ガイダンスの案内

何をやっているか? 馬場・中澤研究室では、X線、ガンマ線検出器を人工衛星に搭載したり地上に展開することで、ブラックホール、中性子星、超新星残骸、宇宙の大規模構造などといった、宇宙の高エネルギー現象の研究を行なっています。現在は「すざく」衛星などX線宇宙衛星のデータを解析しつつ、次世代X線・ガンマ線検出技術の開発を行なっています。馬場准教授と中澤講師は、それぞれ重なるところと異なるところをカバーしつつ当研究室を運営しますので、高エネルギー宇宙物理のサイエンスをより広い幅で担うことができます。なお、昨年度から統合した研究室として運営しており、中澤は直接には学生を取らず、希望者は全員、馬場先生を指名するようにしてください。

同じ分野でどれだけの研究室があるか? 宇宙X線を用いた観測的研究では、JAXA宇宙科学研究所と深く連携しており、馬場・中澤研に加えて、JAXAの高橋教授満田教授、山崎准教授が、東大物理学専攻の枠組みの中(学際理学併任)で大学院生を受け入れており、実際、多数の物理学専攻の院生がJAXA宇宙科学研究所に在籍しています。また、宇宙超高エネルギーガンマ線を用いた観測では、東大物理学専攻では宇宙線研究所の手嶋政廣教授、吉越貴紀准教授と連携して研究を行なっています。

ガイダンス情報 物理学教室ガイダンスの中で、馬場の講演は、5/27 (土)午前です。また、当研究室は、5/26(金)と27(土)にオープンラボとして公開しています。興味がある方はお越し下さい。詳細な時間などは、学科のページをごらんください。
 5/27の午後には、宇宙研や宇宙線研まで含めた専攻ガイダンスが予定されており、ここにも各スタッフに加えて、皆さんの先輩に当たる大学院生が来ます。直接話を聞くチャンスですので、是非 A8 サブコースのブースへ来ていただけると良いと思います。 また、この5/26-27は忙しい、他に聞きたいことがあるなどありましたら、馬場・中澤まで遠慮なくメールください。アドレスは、bambaあっとphys.s.u-tokyo.ac.jp もしくはnakazawaあっとphys.s.u-tokyo.ac.jp です。

2017-04-20
 

銀河団同士の衝突による巨大衝撃波の誕生を捉えた

当研究室の博士2年加藤と中澤講師らが執筆した”銀河団同士の衝突による巨大衝撃波の誕生を捉えた”が天文月報のEurekaに掲載されました。
本稿では、銀河面に隠されていた衝突銀河団CIZA J1358.9-4750で発見された”生まれたて”の巨大衝撃波ついて解説しています。

2016-12-1
 

「ひとみ」衛星が見た銀河団ガスの乱流は小さかった

当研究室が参加したX線衛星「ひとみ」に搭載された軟X線分光検出器で、ペルセウス座銀河団が観測され、その結果がNature論文として掲載されます。

銀河の大集団、銀河団はその巨大な重力ポテンシャルに捕らえられた高温ガスでX線で明るく輝きます。ペルセウス座銀河団の中心部では、巨大ブラックホールから吹き出すジェットが高温ガスとぶつかって押しのけるなど、激しく活動していることは知られていましたが、そこで作り出されると考えられていた高温ガスの乱れた運動が意外に小さく、静かな状態であることがわかりました。

本研究成果は、7月6日付 (世界時) 英国科学誌「Nature」のオンライン版に掲載されます。

詳しくはJAXAホームページをご覧ください。

2016-07-13
 

2016 大学院ガイダンス(5/27-28)について:馬場・中澤研を目指す皆さんへ

何をやっているか? 馬場・中澤研究室では、X線、ガンマ線検出器を人工衛星に搭載したり地上に展開することで、ブラックホール、中性子星、超新星残骸、宇宙の大規模構造などといった、宇宙の高エネルギー現象の研究を行なっています。現在は「すざく」衛星などX線宇宙衛星のデータを解析しつつ、次世代X線・ガンマ線検出技術の開発を行なっています。馬場准教授と中澤講師は、それぞれ重なるところと異なるところをカバーしつつ当研究室を運営しますので、高エネルギー宇宙物理のサイエンスをより広い幅で担うことができます。なお、今年度からは統合した研究室として運営するため、中澤は直接には学生を取らず、希望者は全員、馬場先生を指名するようにしてください。

同じ分野でどれだけの研究室があるか? 宇宙X線を用いた観測的研究では、JAXA宇宙科学研究所と深く連携しており、馬場・中澤研に加えて、JAXAの高橋教授満田教授、山崎准教授が、東大物理学専攻の枠組みの中(学際理学併任)で大学院生を受け入れており、じっさい多数の物理学専攻の院生がJAXA宇宙科学研究所に在籍しています。また、宇宙超高エネルギーガンマ線を用いた観測では、東大物理学専攻では宇宙線研究所の手嶋政廣教授、吉越貴紀准教授と連携して研究を行なっています。

ガイダンス情報 物理学教室ガイダンスの中で、馬場の講演は、5/28 (金)午前です。また、当研究室は、5/28(金) 10:40-12:00と5/29(土) 9:20-12:00 まで公開しています。興味がある方はお越し下さい。
 5/29の午後には、宇宙研や宇宙線研まで含めた専攻ガイダンスが予定されており、ここにも各スタッフに加えて、皆さんの先輩に当たる大学院生が来ます。直接話を聞くチャンスですので、是非 A8 サブコースのブースへ来ていただけると良いと思います。 また、この5/28-29は忙しい、他に聞きたいことがあるなどありましたら、馬場・中澤まで遠慮なくメールください。アドレスは、bambaあっとphys.s.u-tokyo.ac.jp もしくはnakazawaあっとphys.s.u-tokyo.ac.jp です。

2016-05-11
 

2016-03-12 プレスリリース:銀河団の合体で巨大衝撃波が生まれる瞬間をとらえた

当研究室の博士1年加藤佑一君と中澤講師、牧島名誉教授らが、日本のX線衛星「すざく」、米国の「チャンドラ」のデータを使って、巨大衝撃波が生まれるつつある銀河団を発見しました。2016-3-12 に天文学会(首都大学東京)にて発表されました。

「銀河団」とは銀河の大集団であり、重力で自らの形を保持する宇宙最大の天体です。これらは、現在でも、周囲の銀河団と衝突合体を繰り返して成長しています。大量のダークマターが生じる重力によって、銀河団には約1億度の高温ガスが大量に閉じ込められ、それが強いX線を放射します。我々は、天の川に遮られて観測が遅れていた銀河団CIZA J1358.9-4750を、X線天文衛星「すざく」(日本)や「チャンドラ」(米国)を用いて観測し、これが2つの銀河団がまさに合体しつつある姿であることを確かめました。データ解析の結果、2つの銀河団の中間に、500万光年を超える長さの巨大衝撃波が、まさに誕生しつつあることを発見しました。その年齢は5000万年よりも若いと計算されます。衝突銀河団の巨大衝撃波はこれまでも報告されていますが、ここまで若いものは世界で初めてです。我々の発見により、宇宙最大規模の衝撃波の中で何が起きているのか、ガスの加熱や粒子加速などを知る上で、極めて重要な手がかりを与える天体であることが判明しました。

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2016-03-13
 

「ひとみ」衛星打ち上げ成功!

ASTRO-H衛星あらため、「ひとみ」衛星が、2016年2月17日、17:45にH-IIAロケット 30号機によって、無事に軌道へ打ち上げられました!

「ひとみ」は、JAXAを中心に日本の大学・研究機関・企業の力を結集し、アメリカNASAやヨーロッパ(ESAおよびオランダ)、カナダなどの協力を得て開発されました。高温の天体から出るX線の蛍光輝線をこれまでの30倍もすぐれた能力で分光する軟X線分光検出器を積んでおり、重元素の組成やその速度分布を初めて詳しく得ることができます。大きな視野の軟X線イメージャも搭載し、0.3-12 keVの帯域で、分光系の視野の外を幅広く測定します。

また、5-80 keVを撮像分光する硬X線撮像検出器、60-600 keVを分光する軟ガンマ線検出器も搭載し、軟X線の観測装置と合わせて、広い帯域を過去最高の感度で観測できます。これにより、宇宙における粒子加速の謎や、超高温に加熱された成分の探査など、かつてない精度で研究を進めます。

「ひとみ」は電源や姿勢、観測装置の立ち上げに1ヶ月ほどをかけたのち、いよいよ試験観測、そして本格的な科学観測に入る予定です。全く新しい目で宇宙を見ることでどのような新しい発見があるか、大変興味がもたれます。

2016-02-18
 

ASTRO-H 打ち上げ間近!

宇宙の成り立ちと、熱く激しい宇宙に潜む物理現象を解明することを目指すASTRO-H衛星が、間も無く打ち上げられます。打ち上げ予定は 2月12日、夕方17時45分です。打ち上げ情報はこちらをごらんください。

当研究室は、ASTRO-H衛星の立ち上げから深く関わり、特に硬X線イメージャ(Hard X-ray Imager: HXI)および、軟ガンマ線検出器(Soft Gamma-ray Detector: SGD) の開発で中心的な役割を果たしてきました。中澤はHXI検出器のリーダーを務め、これまで、そして現在も、大学院生の多くがその中核を担っています。

ASTRO-Hは、そのすぐれたX線分光能力、軟X線から軟ガンマ線と3桁の波長に渡る高エネルギー光子を高い感度で観測できる能力、という2つの特徴を持ちます。重元素の輝線をかつてない精度で観測したり、そのドップラー速度を得てプラズマの運動を確認する。また広い帯域を持つことで、これまで熱的放射に隠されてきた非熱的な放射(粒子加速の兆候)を高精度で得ることができます。特にブラックホール周りの高温コロナからの放射や、粒子加速に伴う放射は、狭い帯域で観測しているとその特徴的な構造が見おとされその全貌がわからないことも多いのです。このためASTRO-Hは、高エネルギー天体の「中」で何が起きているのか、「物理的」に解明して行く上で大きな貢献が期待されています。

打ち上げはもとより、その後の観測装置の立ち上げと観測開始を思うと、胸が高まると同時に開発者としての責任を感じます。チームで全力を尽くして、大きな成果を得たいと考えています。

2016-02-4
 

2015 大学院ガイダンス(5/29-30)について

何をやっているか? 中澤研究室では、X線、ガンマ線検出器を人工衛星に搭載し、ブラックホール、中性子星、超新星残骸、大規模構造などの、宇宙X線観測をしています。現在は「すざく」衛星のデータを解析しつつ、2015年打ち上げ予定の ASTRO-H 衛星 の開発に全力で取り組んでいます。ASTRO-H は、NASA、ESAも参加する、日本主導の世界のX線天文台で、今後10年の世界の宇宙X線観測を担う重要なミッションです。
同じ分野でどれだけの研究室があるか? ASTRO-Hの研究では、JAXA宇宙科学研究所と深く連携しており、中澤研に加えて、JAXAの高橋教授満田教授、山崎准教授が、東大物理学専攻の枠組みの中(学際理学併任)で大学院生を受け入れており、じっさい多数の物理学専攻の院生がJAXA宇宙科学研究所に在籍しています。なお、教授の牧島は、2015年3月にて定年退職しましたが、ASTRO-H観測、および中澤研の観測研究全般にアドバイスをいただいています。
ガイダンス情報 物理学教室ガイダンスの中での 中澤の講演は、5/29(金) 朝 10:00-10:20 です。また、当研究室は、5/29(金) 10:40-12:00と14:00-16:00、5/30(土) 9:20-12:00 まで公開しています。興味がある方はお越し下さい。
5/30 の午後には、 宇宙研まで含めた専攻ガイダンス が予定されており、ここにも中澤やJAXAの先生がたに加えて、皆さんの先輩に当たる大学院生が来ます。直接話しを聞くチャンスですので、是非 A8 サブコースのブースへ来ていただけると良いと思います。 また、この5/29-30は忙しい、他に聞きたいことがあるなどありましたら、中澤まで遠慮なくメールください。あどれすは、nakazawaあっとphys.s.u-tokyo.ac.jp です。

2015-05-7
 

牧島一夫教授が日本学士院賞を受賞

2015.03.17 更新

このたび、理学系研究科物理学専攻の牧島一夫教授が、日本学士院賞を受賞されました。この賞は、ノーベル賞受賞者はじめ多くの偉大な先達が名を連ねており、恩師である牧島先生のご受賞を心よりお慶び申し上げます。

牧島先生の受賞は「X線観測による中性子星の強磁場の研究」によるものです。半径10 kmあまり、つまり山手線の範囲ほどの中に、太陽一個分の重さが閉じ込められている中性子星は、重力で圧縮された核物質の塊りです。これがどのような性質を持っているのか、牧島先生は宇宙X線観測の立場から研究されてきました。

中性子星は、星の最期の大爆発の中で生まれます。親星の何もかもを圧縮して誕生する中で、磁場もまた激しく圧縮され、108〜12 Tにも達する場合があります。ここに周囲からガスが落ちてくると、磁場の力で磁極に集中して降り積もり、中性子星の表面に衝突して激しく加熱し、強いX線を出します。このX線に現れる特徴的な波長を用いて中性子星の表面磁場を測る技法は、牧島先生が世界を先導してこられました。

この磁場は、超伝導電流で作られるのか、核物質のスピンで作られるのか、観測データが足りずまだ決着していません。牧島先生はこの問題に取り組み続け、最近では中性子星の自転に現れる「自由歳差運動」の観測から、その形状の歪みを捉えることに成功しました。これは、中性子星の内部に隠された磁場を推定する全く新しい技法で、これまでの不可能を可能にしたすばらしいアイデアです。牧島先生の創意工夫、卓抜な発想力、想像力のすごさを見た思いがしております。

先生は今月で東京大学を退職されますが、まだまだ宇宙研究の最前線を切り開いてゆかれると思います。このたびはご受賞、誠におめでとうございます。

see also http://www.japan-acad.go.jp/japanese/news/2015/031201.html#005

and

http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/news/5252/

(文責:物理学専攻 講師 中澤 知洋)

2015-03-17