ガンマ線観測の新時代到来を告げる衛星計画 10MeV-100GeV のガンマ線領域の観測は 1967 年の OSO-3 によって始まり 1970 年代の SAS-2 COS-B によって本格的な観測結果が得られ 1990 年代の EGRET(CGRO 衛星搭載 ) によって大きく前進した特に CG

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ゆりかしろみず
5 years ago
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1 次期ガンマ線観測衛星 GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) 深沢泰司釜江常好大杉節吉田勝一水野恒史 ( 広島大学 ) 尾崎正伸高橋忠幸 (ISAS) 河合誠之 ( 理研 ) 米日伊仏共同 ( 日本 : 広島大学宇宙研東京工業大学理研 ) 極限状態の宇宙を探る

ガンマ線観測の新時代到来を告げる衛星計画 10MeV-100GeV のガンマ線領域の観測は 1967 年の

年代の EGRET(CGRO 衛星搭載 ) によって大きく前進した特に CGRO 衛星搭載 EGRET は

の検出した天体の数は約 270 にもなり全天に分布し系外天体も含まれている今のところ同定されている天体は

ガンマ線天体の位置決定精度が悪いことも要因であるが中にはそれを考慮しても対応天体がいないものもあり

年の打ち上げに向けて開発で進められることになった GLAST は感度が EGRET の 50 倍近くになり

分子雲星生成領域近傍銀河銀河団などにおよびガンマ線観測の新時代は迎える OSO-3 SAS-2 COS-B

2 ガンマ線観測の新時代到来を告げる衛星計画 10MeV-100GeV のガンマ線領域の観測は 1967 年の OSO-3 によって始まり 1970 年代の SAS-2 COS-B によって本格的な観測結果が得られ 1990 年代の EGRET(CGRO 衛星搭載 ) によって大きく前進した特に CGRO 衛星搭載 EGRET は予想以上にガンマ線源が多く存在することを発見しガンマ線観測の重要性を人々に認識させた EGRET の検出した天体の数は約 270 にもなり全天に分布し系外天体も含まれている今のところ同定されている天体はパルサー BLAZAR 銀河面 Diffuse 成分であるが驚くことに半数近い天体は他の波長で同定されていないガンマ線天体の位置決定精度が悪いことも要因であるが中にはそれを考慮しても対応天体がいないものもあり謎につつまれているこうした中次期ガンマ線観測衛星 GLAST が計画され米日伊仏共同で 2005 年の打ち上げに向けて開発で進められることになった GLAST は感度が EGRET の 50 倍近くになり検出天体数は個を超えると見込まれており天体の種類もパルサー BLAZAR ばかりではく超新星残骸分子雲星生成領域近傍銀河銀河団などにおよびガンマ線観測の新時代は迎える OSO-3 SAS-2 COS-B EGRET (CGRO) GLAST X 線観測で Einstein 衛星のデータが人前に出始めたときの興奮を人類に与えるだろう天体数の増加 EGRET GLAST もはや特殊天体に限らないイメージの向上

日本の技術が大きく寄与する衛星 GLAST 衛星の構成 Si -Pb Tracker (TKR) 4x4 array of Delta II identical towers 7920 H

Silicon-Strip Detector 全天モニター CsI Calorimeter Gamma-ray 15cm 電子陽電子対生成型検出器 PD readout Large Area

06 m これまではガンマ線が検出される際に発生する電子陽電子対を追跡するものとしてスパークチェンバーが用いられてきたがシリコンストリップの登場により位置決定精度が格段に向上するまた

3 日本の技術が大きく寄与する衛星 GLAST 衛星の構成 Si -Pb Tracker (TKR) 4x4 array of Delta II identical towers 7920 H Plastic-Scinti + PMT Anti-Coincidence Detector(ACD) CsI-Array Calorimeter(CAL) 優れた位置決定精度高感度 Silicon-Strip Detector 全天モニター CsI Calorimeter Gamma-ray 15cm 電子陽電子対生成型検出器 PD readout Large Area Telescope (LAT) 2560 kg, 600 W, 1.73² 1.06 m これまではガンマ線が検出される際に発生する電子陽電子対を追跡するものとしてスパークチェンバーが用いられてきたがシリコンストリップの登場により位置決定精度が格段に向上するまた検出器の高さを低くすることができ大きな視野を確保でき観測の効率化が可能となるシリコンストリップは加速器実験で既に安定動作が確認されている Silicon-Strip Detector (FM) 日本のチームの設計開発したシリコンストリップの採用 6 インチウェーハ上で不感チャンネル 0.1% 以下の高信頼性広島大学と浜松ホトニクスで開発

4 GLAST の基本性能 EGRET GLAST Energy Band 30MeV--10GeV 20MeV--100GeV Field of View 0.5sr 2.4sr (20% of 4π) Effective Area 1,500cm2 11,000cm2 Energy Resolution 10% 10% Dead time per 1 event 100ms 20μs Source Location 5--30arcmin arcmin Sensitivity ~ cm -2 s -1 ~ cm -2 s -1 (1day) ~ cm -2 s -1 (2years) Number of Detected objects 271 >10000 Weight 1820kg 2560kg Orbit(28.5 O incl.) 350km 550km Life time 9years >5yesrs

5 他のガンマ線観測装置と連携 ( 広いエネルギー帯 ) CANGAROO-III ガンマ線バーストモニター BATSE の後継 FOV~8.6sr(NaI) 126cm2 (NaI,BGO とも ) 12 個の NaI シンチレータ keV 2 個の BGO シンチレータ MeV GLAST によるガンマ線バーストスペクトル

6 宇宙腺の起源と加速機構に迫る宇宙線がどのような場所でどんなメカニズムで発生するのかは現宇宙物理学で最大の謎の 1 つである最近 X 線やガンマ線によって超新星残骸で宇宙線電子が加速されているらしい証拠が 2 つほど見つかってきた果たして多数の超新星残骸がそうであるのか? 宇宙線陽子はどうなのであろうか? 他の加速の候補は? GLAST はこうした疑問を解決するためのデータを与えてくれるだろう太陽フレアーも検出されると予想され太陽における磁気リコネクションによる粒子加速の研究も行える超新星残骸 SN1006の X 線と TeV ガンマ線のイメージ X 線は加速された高エネルギー電子のシンクロトロン放射 TeV ガンマ線はシンクロトロン自己コンプトン放射による EGRETの検出した太陽フレアのスペクトル Kanbach et al Koyama et al Tanimori et al 超新星残骸と分子雲の相互作用でガンマ線を放射していると考えられる Gamma Cygの EGRET イメージと GLAST シミュレーションかに星雲 ( 左 ) と Cas-A( 右 ) Chandra による X 線イメージ Brazier et al. 1996

7 銀河系の構造を探る LMC LMC の GLAST シミュレーション EGRET による巨大分子雲イメージ Hunter et al Ophiuchus 銀河面から予想される GLAST のガンマ線スペクトル SMC Orion Digel et al 銀河面多波長イメージ M31 M82 銀河団上から 408MHz(Synchrotron) ) 21cm(H1) CO(H 2 ) FIR(dust,HI) ) NIR 可視光 (stars) X 線 ( 高温ガス )

宇宙で最も激しい天体の極限物理状態の解明ガンマ線パルサー回転駆動型パルサーの一部は

のようにガンマ線領域で最も明るく光っているものもいるこうしたガンマ線パルサーは今のところ 10

つのパルサーのパルスプロファイル Thompson De Jager Harding

標準的なパルサーのガンマ線発生モデル Polar -capとouter-gap 説 ( 下 ) この 2

BLAZARはAGNの一種で激しく変動しジェットを真正面から見ている天体ではないかと言われている

では検出天体数は数千に増えると予想され BLAZARの進化やガンマ線放射の解明に迫るまた GLAST

8 宇宙で最も激しい天体の極限物理状態の解明ガンマ線パルサー回転駆動型パルサーの一部はガンマ線領域でも明るく輝いている中には Gemi nga のようにガンマ線領域で最も明るく光っているものもいるこうしたガンマ線パルサーは今のところ 10 個以下しか見つかっていないが GLAST により数十個に増えると予想されパルサーの種族進化やガンマ線放射機構の解明につながるまたパルサー風に伴う粒子加速がどれほど起こっているかも興味深い EGRETが検出した 7 つのパルサーのパルスプロファイル Thompson De Jager Harding EGRETのデータを用いたかに星雲のパルスしてない成分の多波長ガンマ線スペクトル ( 上 ) 標準的なパルサーのガンマ線発生モデル Polar -capとouter-gap 説 ( 下 ) この 2 つのモデルが予想するガンマ線スペクトルの違い巨大なジェット発生天体 BLAZAR BLAZARはAGNの一種で激しく変動しジェットを真正面から見ている天体ではないかと言われている EGRET は多くの BLAZARがガンマ線領域で明るいことを発見した GLAST では検出天体数は数千に増えると予想され BLAZARの進化やガンマ線放射の解明に迫るまた GLAST の全天モニター機能を利用し BLAZARのフレアーアップを検出してフレアーアップに伴う粒子加速の物理的描像を探る PKS Mukherjee 3C279 EGRETで見つかった BLAZAR のフレアーアップ Bertsch Mattox 予想されるガンマ線 BLA ZARのlogN-logS Willis BLAZARの多波長スペクトルの例

宇宙で最大の爆発事象ガンマ線バーストガンマ線バーストは GLAST では 1 年に 100 個ほど検出されると予想されている GLAST には主検出器 LAT の他に低エネルギー側をカバーするガンマ線バーストモニターが搭載され

によるバーストプロファイルの例 LAT GLAST で得られるガンマ線バーストのスペクトルのシミュレーションガンマ線で宇宙の初期をプローブガンマ線光子と赤外線光子の対消滅遠方天体の発生したガンマ線光子は

宇宙初期の赤外線光子密度を推測することができ宇宙初期の星生成率に制限をつけられる Willis ダークマタ探査 Bonnell χχ Zγ γγ ビッグバン直後には超対称性粒子 χが大量に生成されることが予想されている

9 宇宙で最大の爆発事象ガンマ線バーストガンマ線バーストは GLAST では 1 年に 100 個ほど検出されると予想されている GLAST には主検出器 LAT の他に低エネルギー側をカバーするガンマ線バーストモニターが搭載されガンマ線バースト発見の強化および広いエネルギーバンドを確保しガンマ線バーストの発生機構に迫る GLAST 搭載ガンマ線バーストモニター Hurley LATを補強 7 桁に及ぶスペクトル NaI BGO BATSE によるバーストプロファイルの例 LAT GLAST で得られるガンマ線バーストのスペクトルのシミュレーションガンマ線で宇宙の初期をプローブガンマ線光子と赤外線光子の対消滅遠方天体の発生したガンマ線光子はエネルギーが高いほど地球に届くまでに赤外線光子と衝突して対消滅してしまう確率が大きいこれを利用して遠方の BLAZERやガンマ線バーストのスペクトルの高エネルギー側のカットオフを調べることにより宇宙初期の赤外線光子密度を推測することができ宇宙初期の星生成率に制限をつけられる Willis ダークマタ探査 Bonnell χχ Zγ γγ ビッグバン直後には超対称性粒子 χが大量に生成されることが予想されているこの粒子は寿命が比較的長くダークマタの候補にもなっている宇宙初期には密度が大きかったためこれらが衝突して対消滅したときに発生する γ 線ラインが GeV 領域に出てくる宇宙ガンマ線背景放射のスペクトルにそれを示唆するバンプ構造が見える可能性があり宇宙初期をプローブするとともにダークマタ探査にもつながる Willis

10 全天モニターとしての GLAST 100 秒 1orbit 1 日 1 年後カタログ large field-of-view 広い視野 ( 全天の 20%) 1orbit(100 分 ) で全天の 85% をカバーほぼすべての天体を 100 分ごとにモニター 200γ バースト /1 1 年 All 3EG sources / 2 日 10,000 sources / 1 年同時期の他の X 線ガンマ線モニターと連携 SWIFT (2003-) kev MAXI(2005-) 2-20keV Astro-E HXD(2005-) 0.1-1MeV

11 国際共同開発 Stanford University: SLAC & HEPL NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) US Naval Research Laboratory (NBL) University of California, Santa Cruz (UCSC) Sonoma State University (SSU) University of Washington (UW) 高エネルギー分野と宇宙分野の研究者が共同日本 : 広島大学, ISAS, 東京工業大学, 理研, ICRR イタリア : INFN, ASI フランス : CEA/DAPNIA, IN2P3 スウェーデン : KTH 日本の役割シリコンストリップの製造管理性能評価 Geant4 による検出器シミュレータの開発年度の活動 FM 型シリコンストリップのデザイン決定試作性能評価気球実験の準備 ( 講演 W16a 増田 et al.) 2001 年 6 月に予定されている気球実験 ( 動作確認キャリブレーション ) に向けたハードウエアー準備 GLAST シミュレーションソフトの開発 Geant4 バックグラウンドモデルなど ( ポスター W24b 尾崎 et al.)

. Detector simulator (Geant4) Cosmic-ray generator for BGD simulation Protons

12 Gamma-ray sky map model Real Data Detector Simulator Simulated Data BGD model Data Reduction BGD Simulator Feed-back Comparison (Fitting) 現在日本側が担当して開発中.. Detector simulator (Geant4) Cosmic-ray generator for BGD simulation Protons Electrons これらのシミュレーターは最初は 6 月に行われる気球実験に応用される Further works... Extention to FM model, include He, e+, gamma-ray etc.

040308fukazawa.ppt

040308fukazawa.ppt 2004/03/08 @ICRR GLAST X MeV--GeV OSO-3 SAS-2 COS-B EGRET (CGRO) GLAST OSO-III (1967): SAS-2 (1972): 10 COS-B (1975): 3C273 EGRET(1991): E~10GeV 271 170 BLAZER 5 Isolated Neutron Star? CTA 1 SNR? EGRET