• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Unveiling the physics of ultrastrong magnetic field with broadband X-ray polarimetry of neutron stars

Research Project

Project/Area Number 22H00128
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionThe University of Osaka (2023-2025)
The University of Tokyo (2022)

Principal Investigator

小高 裕和  大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (50610820)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 玉川 徹  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (20333312)
川島 朋尚  一関工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (90750464)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥40,820,000 (Direct Cost: ¥31,400,000、Indirect Cost: ¥9,420,000)
Fiscal Year 2025: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2024: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Keywords中性子星 / 磁場 / 降着流 / X線偏光 / 強磁場 / ガンマ線偏光 / 符号化イメージング
Outline of Research at the Start

中性子星の表面付近は、1兆ガウスを超える磁場が巨視的なスケールで存在するという宇宙でも圧倒的に特異な環境である。本研究は、中性子星の種族の中では天体環境の不定性が比較的小さい「降着型パルサー」に着目し、超強磁場の下で物質と放射が如何に振る舞うか、その物理過程の精密な理解を目指す。そのために実験・理論の両面で新技術を導入し、(1) シリコン半導体ピクセル検出器を利用した新しい硬X線偏光計の実用化、(2) 輻射流体シミュレーションとモンテカルロ輻射輸送計算の連携による降着流プラズマの3次元X線放射モデルの構築、(3) 広帯域X線スペクトル・ X線偏光解析によるモデルの検証とフィードバックを行う。

Outline of Annual Research Achievements

中性子星の表面付近は、1兆ガウスを超える磁場が巨視的なスケールで存在するという宇宙でも圧倒的に特異な環境である。本研究は、中性子星の種族の中では天体物理的な環境が比較的よくわかっている「降着型パルサー」に着目し、超強磁場の下で物質と放射が如何に振る舞うか、その物理過程の精密な理解を目指す。そのために実験・理論の両面で新技術を導入し、(1) シリコン半導体ピクセル検出器を利用した新しい硬X線偏光計の実用化、(2) 輻射流体シミュレーションとモンテカルロ輻射輸送計算の連携による降着流プラズマの3次元X線放射モデルの構築、(3) 広帯域X線スペクトル・ X線偏光解析によるモデルの検証とフィードバックを行うことを目的とする。

2023年度はピクセルサイズが1.5マイクロメートルの新しい「微小ピクセルCMOSイメージセンサ」を用いて、SPring-8のシンクロトロン放射光を用いてX線偏光性能を評価した。これまでのピクセルサイズが2.5マイクロメートルのCMOSセンサを用いて原理実証実験を行ってきたが、ピクセルサイズをさらに小さくすることで、大きな偏光モジューレションが得られ、偏光検出感度の向上と適用エネルギーを低い方向に広げることに寄与する。この結果は論文投稿済である。

また100 keV-10 MeVの硬X線・軟ガンマ線帯域の偏光観測に向けて、大有効面積を持つ液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを用いた偏光計の開発にも取り組んでいる。液体アルゴン放射線検出器は地上実験では実用化されているが、天体観測に必須となる飛翔体搭載の実績がなかった。我々は世界初の液体アルゴン放射線検出器の気球搭載試験を2023年7月に北海道の大樹航空宇宙実験場で実施し、気球フライトと液体アルゴン放射線検出器の安定運用を成功させた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

半導体イメージセンサを用いたX線偏光計は、これまで原理実証・技術実証の域を出ていなかったが、本研究でセンサの詳細な性能評価や解析手法の整理を行なったことで、実用化に向けた方向性を見出すことができている。さらなる偏光感度の向上を目指し、ピクセルサイズの小さなセンサの開発も進め、SPring-8のシンクロトロン放射光を用いた性能評価も期待通りの結果が出ており、開発経過は順調である。さらに、エネルギー範囲をマグネターフレアの偏光観測で重要となる軟ガンマ線帯域まで拡張するため、大有効面積を実現可能な液体アルゴンを用いたコンプトン偏光計の開発にも乗り出し、JAXA国内気球実験の枠組みを用いて飛翔体搭載試験も成功させることができた。これらを踏まえると当初計画は概ね順調であり、さらに新しいアイデアの偏光計の開発にも踏み出すことができている。

Strategy for Future Research Activity

計画3年目も2年目に実施した研究課題を継続するほか、天体X線観測データを用いた降着流モデルの構築を進める。装置開発としては、性能評価を実施した微小ピクセルセンサをより実用的にするための読み出し系の高速化、液体アルゴンガンマ線偏光計の実証試験を進める。天体物理の研究としては、降着流モデルを流体シミュレーション・輻射輸送シミュレーションを用いて構築し、研究計画通りNuSTAR・IXPE衛星のデータとの比較を行うほか、2023年に軌道投入されたXRISMの高いエネルギー分解能をいかしたデータ解析も実施する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (25 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 12 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] Columbia University/Northeastern University(米国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Durham(英国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] X-ray polarization properties of thermal-radiative disc winds in binary systems2023

    • Author(s)
      Tomaru Ryota、Done Chris、Odaka Hirokazu
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 527 Issue: 3 Pages: 7047-7054

    • DOI

      10.1093/mnras/stad3649

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spectral Modeling of the Supersoft X-Ray Source CAL87 Based on Radiative Transfer Codes2023

    • Author(s)
      Tsujimoto Masahiro、Mizumoto Misaki、Ebisawa Ken、Odaka Hirokazu、Wada Qazuya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 960 Issue: 1 Pages: 46-46

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad0bfa

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Circumnuclear Multiphase Gas in the Circinus Galaxy. V. The Origin of the X-Ray Polarization in the Circinus Galaxy2023

    • Author(s)
      Tanimoto Atsushi、Wada Keiichi、Kudoh Yuki、Odaka Hirokazu、Uematsu Ryosuke、Ogawa Shoji
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 958 Issue: 2 Pages: 150-150

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad06ac

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The peak flux of GRB 221009A measured with GRBAlpha2023

    • Author(s)
      Ripa J.、Takahashi H.、Fukazawa Y.、Werner N.、Munz F.、Pal A.、et al.
    • Journal Title

      Astronomy & Astrophysics

      Volume: - Pages: L2-L2

    • DOI

      10.1051/0004-6361/202346128

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A different view of wind in X-ray binaries: the accretion disc corona source 2S 0921-6302023

    • Author(s)
      Tomaru Ryota、Done Chris、Odaka Hirokazu、Tanimoto Atsushi
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 523 Issue: 3 Pages: 3441-3449

    • DOI

      10.1093/mnras/stad1637

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strong Polarization of a J=1/2 -> 1/2 Transition Arising from Unexpectedly Large Quantum Interference2023

    • Author(s)
      N Nakamura, N Numadate, S Oishi, XM Tong, X Gao, D Kato, H Odaka, T Takahashi,Y Tsuzuki, Y Uchida, H. Watanabe, S Watanabe, and H Yoneda
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 130 Issue: 11 Pages: 113001-113001

    • DOI

      10.1103/physrevlett.130.113001

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Orbital- and Spin-phase Variability in the X-Ray Emission from the Accreting Pulsar Centaurus X-32023

    • Author(s)
      Tamba Tsubasa、Odaka Hirokazu、Tanimoto Atsushi、Suzuki Hiromasa、Takashima Satoshi、Bamba Aya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 944 Issue: 1 Pages: 9-9

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acadde

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] MeV Gamma-Ray Source Contribution to the Inner Galactic Diffuse Emission2023

    • Author(s)
      Tsuji Naomi、Inoue Yoshiyuki、Yoneda Hiroki、Mukherjee Reshmi、Odaka Hirokazu
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 943 Issue: 1 Pages: 48-48

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acab69

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reconstruction of multiple Compton scattering events in MeV gamma-ray Compton telescopes towards GRAMS: The physics-based probabilistic model2023

    • Author(s)
      Yoneda Hiroki、Odaka Hirokazu、Ichinohe Yuto、Takashima Satoshi、他
    • Journal Title

      Astroparticle Physics

      Volume: 144 Pages: 102765-102765

    • DOI

      10.1016/j.astropartphys.2022.102765

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Suzaku and Chandra study of diffuse X-ray emission from the massive star-forming region RCW?382022

    • Author(s)
      Fukushima Aoto、Ezoe Yuichiro、Odaka Hirokazu
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 75 Issue: 1 Pages: 187-198

    • DOI

      10.1093/pasj/psac100

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] On the Formation of Over-ionized Plasma in Evolved Supernova Remnants2022

    • Author(s)
      Katsuragawa Miho、Lee Shiu-Hang、Odaka Hirokazu、Bamba Aya、Matsumura Hideaki、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 938 Issue: 1 Pages: 23-23

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8cf9

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Event reconstruction of Compton telescopes using a multi-task neural network2022

    • Author(s)
      Takashima Satoshi、Odaka Hirokazu、Yoneda Hiroki、Ichinohe Yuto、Bamba Aya、Aramaki Tsuguo、Inoue Yoshiyuki
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1038 Pages: 166897-166897

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.166897

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] NuSTAR Observations of 52 Compton-thick Active Galactic Nuclei Selected by the Swift/Burst Alert Telescope All-sky Hard X-Ray Survey2022

    • Author(s)
      Tanimoto Atsushi、Ueda Yoshihiro、Odaka Hirokazu、Yamada Satoshi、Ricci Claudio
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Supplement Series

      Volume: 260 Issue: 2 Pages: 30-30

    • DOI

      10.3847/1538-4365/ac5f59

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Simulation-based spectral analysis of X-ray CCD data affected by photon pile-up2022

    • Author(s)
      Tsubasa Tamba, Hirookazu Odaka, Aya Bamba, Hirohsi Murakami, Koji Mori, Kiyoshi Hayashida, Yukikatsu Terada, Tsunefumi Mizuno, Masayoshi Nobukawa
    • Journal Title

      PASJ

      Volume: 74 Issue: 2 Pages: 364-383

    • DOI

      10.1093/pasj/psab131

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] GRAMS実験 16: ステータス報告2024

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      日本物理学会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] MeVガンマ線天文学の展望2024

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理連絡会研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] The GRAMS mission for MeV gamma-ray astronomy and dark matter search2024

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GRAMS実験 14: ステータス報告2023

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      日本物理学会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] GRAMS: MeV ガンマ線観測・ダークマター探索気球実験2023

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      宇宙科学技術連合会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 宇宙ガンマ線観測・暗黒物質探索実験 GRAMS に向けた 液体アルゴン放射線検出器の気球搭載試験(1): 全体報告2023

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      JAXA大気球シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] X-ray Imaging Polarimetry using a Fine Pixel CMOS Imager2022

    • Author(s)
      Hirokazu Odaka
    • Organizer
      NDIP20 (Conference on New Development in Photodetection)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unveiling accretion disc winds from supermassive black holes with Monte Carlo X-ray radiative transfer modeling2022

    • Author(s)
      Hirokazu Odaka
    • Organizer
      What Drives the Growth of Black Holes?
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X-ray Polarimetry for Astrophysics with CMOS imaging sensors2022

    • Author(s)
      Hirokazu Odaka
    • Organizer
      Pixel22 (10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2025-06-20  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi