終端衝撃波のＸ線撮像分光による銀河系内最強加速器「カニ星雲」の加速機構の解明

• Project/Area Number: 23K20850
• Project/Area Number (Other): 21H01095 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: University of Miyazaki
• Principal Investigator: 森 浩二 宮崎大学, 工学部, 教授 (00404393)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: カニ星雲 / 電磁流体加速 / X線CMOS検出器 / Ｘ線CMOS検出器 / Ｘ線CCD / パルサー星雲 / 加速

Outline of Research at the Start

現在の人類の技術では到底再現できないような超高エネルギーの粒子が宇宙には存在する。そのような粒子を生みだす銀河系内最強の加速器の一つと目される天体に、カニ星雲がある。一方で、カニ星雲内部で「どこでどのように加速がおこっているのか？」という大きな謎が残っている。本研究では、Ｘ線の撮像分光により、そのカニ星雲の謎に迫る。カニ星雲の強烈な明るさのために、読出しの遅いＸ線CCDではパイルアップという問題がおこるが、シミュレーションを用いてこの問題を克服する。また、並行して、Ｘ線CCDの限界を克服するＸ線CMOS検出器を開発し、次世代衛星で「パイルアップフリーで」「広帯域での」Ｘ線撮像分光を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の主要観測対象であるカニ星雲の形態の時間変動について、昨年度に引き続き調査をおこなった。我々は以前に、month 以下のタイムスケールでの変動は示しており、ここでは year から decade のタイムスケールで変動する構造に着目している。このタイムスケールで最も目を引く変動は南側のジェットである。昨年度の調査で約15年でジェットが30秒角ほど延伸したことがわかったが、これに2022年度の観測結果を加えた結果、2010年頃から2022年にかけて、ジェットの折れ曲がりの位置が大きく変化しておらず、フィラメントとの相互作用によってジェットが同じ位置で曲がり続けている可能性があることを示した。これらの結果は、国内の研究会で報告をおこなった。

分光解析に向けては、2023年打ち上げの XRISM 衛星搭載のX線CCDにも応用されているモンテカルロ法を用いたシミュレータをベースに、Chandra 衛星搭載のX線CCDであるACISのX線応答を模擬するシミュレータ構築を進めた。点源観測については、パイルアップによる応答の変化を定量的に再現することに成功した。一方で、X線イベントの電荷分布のエネルギー依存性は完全に再現できておらず、広がった天体への適用に限界があることもわかった。

Ｘ線 CMOS 検出器の開発については、現在のセンサーに用いている PDD 構造の最終的なウェルの不純物濃度条件は特定したところである。その過程において、分光性能のウェルの不純物濃度依存性を調査した。定性的にはウェルの不純物濃度によるノード容量の変化が、分光性能に最も影響を与えていることがわかった。また、この新しい PDD 構造を持ち、前回の素子の問題点を修正した大型素子の評価もおこなった。これらの結果も、学会・研究会で報告した。さらに、この研究において新たに考案したセンサ構造を特許出願した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

カニ星雲は時間とともに構造が変化していく天体であり、本研究の目的である空間分解したＸ線分光観測を行うために、まず構造の時間変化についてまとめているところである。Chandra 衛星のデータについては、2022年に5年半ぶりに新しい観測がおこなわれ、それも取り込んで解析を進めている。加えて IXPE 衛星による偏光観測の結果も報告され、その結果も踏まえて結果の解釈を進めている。また、XRISM 衛星搭載のＸ線CCD検出器用に開発されたシミュレータを Chandra 衛星の搭載のＸ線CCD検出器に適用することで、そこにおける CCD の電場構造の簡略化に問題があることもわかった。このように、カニ星雲の長期時間変動の解析におよそ目処をつけて、且つ、これから取り組む分光解析の準備も進めた。

Ｘ線 CMOS 検出器の開発については、ウェル不純物濃度を最適化した構造を持つ大型素子を製作・評価しているところである。まず、最適化条件を特定する過程で判明した分光性能のウェル不純物濃度依存性については、ノード容量と分光性能の関係の定量的な評価を実施している。これは今後の素子開発の指標となるものである。製作した大型素子については、電源供給パッドから近いところについては期待通りの分光性能が得られたが、遠いところでは分光性能が劣化していた。現在はデザインハウスと定期的に相談しながら、実験と解析を繰り返し、その原因追及をしているところである。大型化することで小型素子では見えなかった問題を炙り出すということはこれまでも実施してきたことであり、このプロセスでいよいよ大型素子の最終形態に近づくものと考えている。また、ADC 組込みの素子についても、ADC の動作実証をおこなった。以上により、衛星搭載用の大型Ｘ線 CMOS 検出器開発として確実に前進することができた。

Strategy for Future Research Activity

今後については、まず、カニ星雲の長期時間変動の解析結果をまとめる。南側ジェットが一番特異ではあるが、それ以外のトーラスや西側ベイなどの大きな構造についても特徴的な結果が得られており、それらがまとめの中心となる。パイルアップ推定用のシミュレーターについては、新に NASA の次世代X線天文衛星向けCCDに利用実績のあるシミュレータに更新することを検討する。これにより、これまでに検討したシミュレーターで単純化されていた電場構造を改善できる見込みである。シミュレーターの検証のためには、パイルアップの影響を受けていないデータと受けているデータの比較解析が必要であり、その解析にも取り組んでいく。

Ｘ線 CMOS 検出器の開発については、まずは引き続き大型素子の評価を進めていく。その結果をまとめて、次の設計に反映させていく。現在の焦点は分光性能が電源供給パッドからの距離に応じて劣化することであり、この原因の特定と対策が次回の大型素子製作に必須である。同時に ADC に加えて DAC や BGR を組み込んだ小型素子の製作もおこなう。これはデジタルＸ線 CMOS 検出器にむけた一歩であり、我々が開発する検出器の最終形態の一つの形である。また、これらと並行して、小型素子を用いて新しく確立した PDD 構造に対する放射線耐性の評価もおこなう。昨年度は予備実験をおこなってきたので、今年度は昨年度確立した手法を用いて定量的な評価を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA/GSFC(米国)
• [Journal Article] Spectral break of energetic pulsar wind nebulae detected with wideband X-ray observations (2022)
  • Author(s): Bamba Aya、Shibata Shinpei、Tanaka Shuta J、Mori Koji、Uchida Hiroyuki、Terada Yukikatsu、Ishizaki Wataru
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1186-1197
  • DOI: 10.1093/pasj/psac062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single event tolerance of x-ray silicon-on-insulator pixel sensors (2022)
  • Author(s): Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kohmura Takayoshi、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Kitajima Masatoshi、Tsuru Takeshi G.、 et al.
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 8 Issue: 04 Pages: 046001-046001
  • DOI: 10.1117/1.jatis.8.4.046001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM) (2022)
  • Author(s): Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、（他52名）
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 12181 Pages: 11-11
  • DOI: 10.1117/12.2626894
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • Author(s): Koji Mori, Takeshi G. Tsuru, Tetsu Kitayama (31番目), 他
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation Volume: 12181 Pages: 1218122-1218122
  • DOI: 10.1117/12.2628772
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray radiation damage effects on double-SOI pixel detectors for the future astronomical satellite FORCE (2022)
  • Author(s): Kitajima Masatoshi、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Hayashida Mitsuki、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Yarita Keigo、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 8 Issue: 02 Pages: 26007-26007
  • DOI: 10.1117/1.jatis.8.2.026007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simulation-based spectral analysis of X-ray CCD data affected by photon pile-up (2022)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proton radiation hardness of x-ray SOI pixel sensors with pinned depleted diode structure (2021)
  • Author(s): Hayashida Mitsuki、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Kitajima Masatoshi、Yarita Keigo、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Tsuru Takeshi G.、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Kayama Kazuho、Kodama Ryota、Mori Koji、Takeda Ayaki、Nishioka Yusuke、Hida Takahiro、Yukumoto Masataka、Arai Yasuo、Kurachi Ikuo、Kitamura Hisashi、etc
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 7 Issue: 03 Pages: 036001-036001
  • DOI: 10.1117/1.jatis.7.3.036001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SOI技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 57 : PDD 構造を持つ大面積Ｘ線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の性能評価 (2023)
  • Author(s): 泉大輔、森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (15) (2023)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE (2023)
  • Author(s): 森浩二
  • Organizer: 第23回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] Development of X-ray SOI CMOS sensor with pinned-depleted-diode structure (2022)
  • Author(s): Yukumoto Masataka, Mori Koji et al.
  • Organizer: THE 4TH WORKSHOP ON QUANTUM BEAM IMAGING
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SOI技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 54 : PDD 構造を有する X 線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の TID 効果測定試験 (2022)
  • Author(s): 岩切卯月、森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (14) (2022)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] Ｘ線帯におけるカニ星雲の長期間変動(3) (2022)
  • Author(s): 金丸善朗、森浩二
  • Organizer: 「中性子星・超新星残骸及び関連天体」研究会
• [Presentation] Design study and spectroscopic performance of SOI pixel detector with a pinned depleted diode structure for X-ray astronomy (2022)
  • Author(s): Yukumoto Masataka, Mori Koji et al.
  • Organizer: 23rd International Workshop on Radiation Imaging Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE (2022)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 第22回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (13) (2022)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] Ｘ線帯におけるカニ星雲南側ジェットの長期間変動 (2022)
  • Author(s): 金丸善朗、森浩二
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] A hard X-ray complement to Athena: The prospect of hard X-ray astronomy in the 2030s and the FORCE mission (2022)
  • Author(s): Ann Hornschemeier, Koji Mori, et al.
  • Organizer: The 19th Divisional Meeting of the High Energy Astrophysics Division of the AAS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軟Ｘ線から硬Ｘ線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (12) (2021)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型X線撮像分光器の開発48 : PDD 構造におけるリーク電流の原因特定とその解決手法 (2021)
  • Author(s): 行元雅貴、森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 49 : PDD 構造における分光性能のウェルの不純物濃度依存性の評価 (2021)
  • Author(s): 米村修斗、森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 51 : Double-SOI 構造の大面積Ｘ線 SOI ピクセル検出器の性能評価 (2021)
  • Author(s): 三枝紀嵐、森浩二他
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] 「埋もれたAGNの宇宙論的進化」と広帯域Ｘ線高感度撮像分光衛星 FORCE の概要と現状 (2021)
  • Author(s): 森浩二他
  • Organizer: 第5回 FORCE 研究会「埋もれたAGNの宇宙論的進化」
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体イメージセンサ装置 (2022)
  • Inventor(s): 森浩二、武田彩希、鶴剛、倉知郁生
  • Industrial Property Rights Holder: 森浩二、武田彩希、鶴剛、倉知郁生
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-088053
  • Filing Date: 2022