太陽軟Ｘ線撮像分光で拓く磁気再結合・粒子加速研究の新地平：ロケット実験から衛星へ

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03724
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 成影 典之 国立天文台, SOLAR-Cプロジェクト, 助教 (50435806)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 粒子加速 / 磁気再結合 / X線撮像分光観測 / 観測ロケット実験 FOXSI-3 / 衛星計画 PhoENiX / 太陽 / フレア / コロナ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、「宇宙プラズマにおいて普遍的に起きている磁気再結合と粒子加速の理解」を目指し、太陽フレアに対する軟X線の２次元集光撮像分光観測の実現を目的としている。この観測により、X線のエネルギースペクトルを空間分解能・時間分解能を持って取得することが可能となる。つまり、太陽コロナを占めるプラズマの物理情報（温度、密度、非熱的成分の冪指数など）を、各構造毎に、時間発展を追いながら調べることが可能になる。本研究では、この観測の実現に向け、裏面照射型CMOS検出器を用いた軟X線高速度カメラを開発し、1ピクセルに複数のX線光子が入射するよりも速く読み出すことで、X線光子1個1個の情報を取得するという手法を取る。
2019年度は、日米共同の太陽X線観測ロケット実験FOXSI-3（2018年度打ち上げ）で取得に成功した、世界初の太陽コロナ軟X線・２次元集光撮像分光観測データの解析と、その観測に用いた機器の較正を実施した。機器較正結果の一部は、論文として出版した。データ解析では、活動領域中の微小なエネルギー解放現象に着目し解析を行っている。
また、将来の太陽フレア観測を目指し、2種類のCMOS検出器について検討・開発・評価を行った。1つ目は、FOXSI-3で用いたCMOS検出器の高速化とX線に対する感度・耐性の向上である。この検出器については、試作品を入手し、評価準備を行った。2つ目は、SOI技術を用いた感受層の大幅な増厚の試みで、感度・耐性の大幅な向上が期待できる。この検出器については実現可能性検討を実施し、実現可能であることを確認した。
更に、これらの検出器を用い、世界初となる太陽フレアに対する軟X線・２次元集光撮像分光観測を実現するため、観測ロケット実験計画FOXSI-4を米国NASAに対して、衛星計画PhoENiXをJAXA/宇宙科学研究所に対して、それぞれ提案した。PhoENiX計画については、学術会議のマスタープラン2020に学術大型研究計画として掲載された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2019年度の目標は、下記の３つであった。
①FOXSI-3 に搭載した観測装置の機器較正を完了させ、FOXSI-3 で得られた世界初のデータを解析し、科学成果の創出に取り組む。
②衛星計画の実現に向け、宇宙用の軟X線・２次元撮像分光カメラシステムの開発も並行して実施する。
③FOXSI-3 の大成功をうけ、新たな日米共同観測ロケット実験計画実施の機運が高まっている。そこで、太陽フレアを観測対象とする観測ロケット実験 FOXSI-4 の立ち上げを行う。
研究実績の概要に示したように、①、②、③の目標は達成、もしくは計画通りに進捗している。
加えて、2019年10月にJAXA/宇宙科学研究所から発出された「2019（令和元）年度公募型小型計画・宇宙科学ミッションコンセプトの提案募集」に対し、磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を科学目的とした衛星計画 PhoENiX（Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region の略）を提案した。この提案は、本研究の成果（科学検討のための研究会開催・裏面照射型CMOS検出器を用いたX線用高速度カメラの開発・観測ロケット実験 FOXSI-3 の実施など）によって成し得たものであり、現時点で計画は当初計画以上に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後は、FOXSI-3 で得られた世界初のデータを解析し、科学成果の創出に取り組む。
また、太陽フレアを観測対象とする日米共同観測ロケット実験 FOXSI-4 の実現に向け、フレア観測用カメラシステムの開発を推進する。また、高精度X線ミラーの基礎開発など、FOXSI の観測性能向上に向けた関連開発も実施する。
一方、衛星計画 PhoENiX の実現に向け、宇宙用の軟X線・２次元撮像分光カメラシステムの開発も並行して実施する。具体的には、「CMOS検出器のX線・放射線耐性評価」を行うとともに、宇宙放射線に耐性のある部品と等価の部品を用いブレッドボードを製作し、「宇宙用のカメラの実現に向けた試作」を行う。また、定期的な研究会を開催するなど、科学検討も継続して実施する。
なお、PhoENiX 計画については、https://www.phoenix-project.science/ から情報発信を行っている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミネソタ大学/カリフォルニア大学バークレー校/NASA(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ミネソタ大学/カリフォルニア大学バークレー校/NASA
• [Journal Article] High-speed back-illuminated CMOS sensor for photon-counting-type imaging-spectroscopy in the soft X-ray range (2020)
  • Author(s): Narukage Noriyuki、Ishikawa Shin-nosuke、Sakao Taro、Wang Xinyang
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 950 Pages: 162974～162974
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162974
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] FOXSI-2 Solar Microflares. I. Multi-instrument Differential Emission Measure Analysis and Thermal Energies (2020)
  • Author(s): Athiray P. S.、Vievering Juliana、Glesener Lindsay、Ishikawa Shin-nosuke、Narukage Noriyuki、Buitrago-Casas Juan Camilo、Musset Sophie、Inglis Andrew、Christe Steven、Krucker Sam、Ryan Daniel
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 891 Pages: 78～78
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7200
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ghost-ray reduction and early results from the third FOXSI sounding rocket flight (2019)
  • Author(s): Musset Sophie、Buitrago-Casas Juan Camilo、Glesener Lindsay、Bongiorno Stephen、Courtade Sasha、Athiray P. Subramania、Vievering Juliana、Ishikawa Shin-nosuke、Narukage Noriyuki、et al.
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 11118 Pages: id. 1111812
  • DOI: 10.1117/12.2530029
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画：PhoENiX (2020)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • Organizer: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] Ｘ線微細加工によるＸ線コリメーターの研究開発２ (2020)
  • Author(s): 山口 明啓、三枝 峻也、竹内 雅耶、内海 裕一、成影 典之
  • Organizer: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] PhoENiXの目指すサイエンス (2020)
  • Author(s): 岡 光夫、深沢 泰司、成影 典之
  • Organizer: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] PhoENiX/SXISに向けた高精度軟Ｘ線Wolterミラーの開発研究 (2020)
  • Author(s): 坂尾 太郎、松山 智至、山田 純平、井上 陽登、波多 健太郎、山口 浩之、萩原 拓、中村 南美、山内 和人、香村 芳樹、末松 芳法、成影 典之
  • Organizer: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 太陽観測小規模プログラム・ロケット実験CLASP2打ち上げ成功と初期成果報告 (2020)
  • Author(s): 岡本 丈典、石川 遼子、McKenzie David、Trujillo Bueno Javier、鹿野 良平、SongDonguk、Rachmeler Laurel、Auchere Frederic、吉田 正樹、都築 俊宏、浦口 史寛、篠田 一也、久保 雅仁、原 弘久、成影 典之、末松 芳法、石川 真之介、坂尾 太郎、他
  • Organizer: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 観測ロケット実験FOXSI-3の成果とFOXSI-4の準備状況 (2020)
  • Author(s): 成影 典之、他FOXSIチーム
  • Organizer: 太陽研究者連絡会シンポジウム
• [Presentation] 衛星計画PhoENiXの紹介と検討状況 (2020)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • Organizer: 太陽研究者連絡会シンポジウム
• [Presentation] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画PhoENiXの進捗報告（2020年春） (2020)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ、FOXSIチーム
  • Organizer: 日本天文学会2020年春季年会
• [Presentation] 超小型衛星を用いた太陽フレアからの熱的・非熱的放射の時間発展の研究 (2020)
  • Author(s): 長澤 俊作、川手 朋子、成影 典之、高橋 忠幸、Amir Caspi、Tom Woods
  • Organizer: 日本天文学会2020年春季年会
• [Presentation] Advances in the Development of Precision Wolter Mirrors for Future Observations of the Sun (2019)
  • Author(s): Taro Sakao, Satoshi Matsuyama, Jumpei Yamada, Takato Inoue, Taku Hagiwara, Kentaro Hata, Hiroyuki Yamaguchi, Nami Nakamura, Kazuto Yamauchi, Yoshiki Kohmura, Yoshinori Suematsu, Noriyuki Narukage and Shin-nosuke Ishikawa
  • Organizer: XOPT2019; International Conference on X-ray Optics and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、石川 真之介、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之
  • Organizer: JpGU2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Satellite mission PhoENiX: Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (=magnetic reconnection) region (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Shin-nosuke Ishikawa, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • Organizer: 18th RHESSI Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage
  • Organizer: AAS Meeting 234
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The FOXSI-3 rocket: Overview and early results of its latest flight (2019)
  • Author(s): Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Sasha Courtade, Juliana Vievering, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Daniel Ryan, Gregory Dalton, Shin-Nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • Organizer: AAS Meeting 234
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FOXSI-2 Solar Microflares : Multi-Instrument Differential Emission Measure Analysis (2019)
  • Author(s): P. S. Athiray, Lindsay Glesener, Juliana Vievering, Shin-Nosuke Ishikawa, Andrew Inglis, Noriyuki Narukage, DanielRyan, Juan Camilo Buitrago-Casas, Steven Christe, Sophie Musset, Sam Krucker
  • Organizer: AAS Meeting 234
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Shin-nosuke Ishikawa, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • Organizer: SPIE Optical Engineering + Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Advances in precision Wolter mirrors for future solar x-ray observations (2019)
  • Author(s): Taro Sakao et al.
  • Organizer: SPIE Optical Engineering + Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ghost-ray reduction and early results from the third FOXSI sounding rocket flight (2019)
  • Author(s): Sophie Musset, Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Stephen Bongiorno, Sasha Courtade, P. S. Athiray, Juliana Vievering, Shin-nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • Organizer: SPIE Optical Engineering + Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PhoENiX衛星計画の概要と関連ミッション (2019)
  • Author(s): 成影 典之 ら
  • Organizer: 宇宙プラズマにおける粒子加速ワークショップ2019前期
• [Presentation] Satellite mission PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • Organizer: Hinode-13/IPELS 2019 international meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画PhoENiXの進捗報告（2019年秋） (2019)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] 太陽 X 線撮像分光観測ロケット実験 FOXSI (1) -遮光フィルター開発と FOXSI-3 の観測初期解析結果- (2019)
  • Author(s): 清水 貞行、三石 郁之、加藤 渉、大西 崇文、石川 真之介、成影 典之、高棹 真介、高橋 忠幸、古川 健人、長澤 俊作、渡辺 伸、L. Glesener、Athray P.、S. Musset、J. Vievering、J. C. Buitrago-Casas、S. Krucker、S. Christe、D. Ryan
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection region) (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage and PhoENiX Working Group member and FOXSI Sounding Rocket team
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hardware upgrades and science outcomes from the latest flights of the FOXSI rocket (2019)
  • Author(s): Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Sasha Courtade, Juliana Therese Vievering, P. S. Athiray, Sophie Musset, Daniel Ryan, Gregory Dalton, Shin-nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of Charge Sharing in the FOXSI Sounding Rocket Hard X-ray Detectors Using the Advanced Light Source at Berkeley (2019)
  • Author(s): Jessie McBrayer Duncan, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Juliana Therese Vievering, Alastair A MacDowell, Lindsay Glesener, Lance Davis, Juan Camilo Buitrago-Casas, Connor O'Brien, Shin-nosuke Ishikawa, Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Noriyuki Narukage, et al.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FOXSI-4: Instrument Upgrades for a Proposed Fourth Focusing Optics X-Ray Solar Imager Sounding Rocket Experiment (2019)
  • Author(s): Juliana Therese Vievering, Lindsay Glesener, Juan Camilo Buitrago-Casas, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Jessie McBrayer Duncan, Noriyuki Narukage, Daniel Ryan, Andrew R Inglis, Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Steven Christe, Sam Krucker, Paul Turin and Brian Ramsey
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Solar High-Resolution X-ray imager (SHRX): A Concept for a Sounding Rocket Experiment (2019)
  • Author(s): Patrick R. Champey, Sabrina L Savage, Amy R Winebarger, David Broadway, Ken Kobayashi, Jacqueline Davis, Jeff Kolodziejczak, Charlie Griffith and Noriyuki Narukage
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection region) (2019)
  • Author(s): 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学連絡会タウンミーティング
• [Book] 国立天文台ニュース No. 310 2019年5月号 (2019)
  • Author(s): 成影 典之 他
  • Total Pages: 16
  • Publisher: 国立天文台
• [Book] Space Research Today (2019)
  • Author(s): Noriyuki Narukage et al.
  • Total Pages: 158
  • Publisher: Committee on Space Research
• [Remarks] 観測ロケット実験 FOXSI のホームページ（ミネソタ大学）
  • URL: http://foxsi.umn.edu/
• [Remarks] 日本学術会議・マスタープラン2020・重点大型研究計画に掲載された衛星計画PhoENiXの説明資料
  • URL: http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-24-t286-3-2-91.pdf
• [Remarks] 世界初！太陽観測ロケット実験FOXSI-3、太陽コロナからの軟X線を集光撮像分光観測することに成功！
  • URL: https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3/
• [Remarks] 観測ロケットFOXSI-3が軟X線太陽像を新手法で描く
  • URL: https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3-data-release-jp-20190115/
• [Remarks] 衛星計画 PhoENiX のホームページ
  • URL: https://www.phoenix-project.science/