2019 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding strong magnetic fields and radiative processes on the surfaces of neutron stars with semiconductor X-ray polarimeters
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19H01906
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小高 裕和 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (50610820)
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| 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 国立天文台, 天文シミュレーションプロジェクト, 特任助教 (90750464)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 中性子星 / 強磁場 / 降着流 / 半導体検出器 / X線偏光計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高密度天体のなかでも、10の12乗ガウス以上の強磁場を持つ中性子星へのガス降着は、未だ理論的な理解が得られていない、天体物理学の難関問題である。本研究の目的は、この非常に複雑なシステムに対して、実験・理論の両面からこれまでにない手法でアプローチすることで、地上では到底実現できない強磁場のもとで物質と放射が如何に振る舞うかを解明することである。実験的には、10-30 keVのエネルギー帯域で硬X線偏光観測を実現することを目指して、半導体ピクセル検出器を用いたX線撮像偏光計の開発と小型衛星ミッションの検討を行う。データ解析のためには精密な理論モデルが必要であり、理論的な研究として、強磁場のもとでコンプトン散乱・サイクロトロン共鳴散乱を正確に計算するモンテカルロシミュレーションを行い、降着プラズマ流の3次元X線放射モデルの開発を行っている。
2019年度は、硬X線撮像偏光計の技術基盤となる微小ピクセルCMOSイメージセンサと微細加工による符号化開口マスクの開発と性能評価を進めた。シンクロトロン放射光を用いて、実証試験を行い、10 keV以上の硬X線に対する偏光感度を確立した。また小型のシステムで30秒角という高い角度分解能を実現可能であることを示した。さらに、この技術をもとに超小型衛星「cipher」計画を作り、研究チームの学生が中心となって2019年度の衛星設計コンテストに出品したところ、その斬新なアイディアと着実な科学戦略を高く評価していただき、文部科学大臣賞・アイディア大賞を受賞した。
天体物理学の面では、明るい中性子星連星SMC X-1の「すざく」衛星のデータの解析とモンテカルロシミュレーションの一般相対論への拡張を実施し、理論モデルの構築と検証へ向けて研究を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究計画は以下の通り、偏光計開発において概念実証実験が想定以上の速度で進められている。さらに、開発中の技術から派生した超小型衛星のアイディアは衛星設計コンテストで賞もいただいた。
硬X線撮像偏光計の技術基盤は微小ピクセルCMOSイメージセンサと微細加工による符号化開口マスクであり、超小型衛星という大きさの制限の中でも、30秒角という高い角度分解能を実現可能である。KEK Photon FactoryとSPring-8のシンクロトロン放射光を用いて、偏光感度と撮像能力の実証試験を行い成功をおさめた。また、この技術基盤をもとに超小型衛星「cipher」の計画を研究チームの学生が中心となって2019年度衛星設計コンテストに出品したところ、その斬新なアイディアと着実な科学戦略を高く評価していただき、文部科学大臣賞・アイディア大賞を受賞した。
さらに、将来の硬X線観測に向けて、厚い空乏層を持つSOI技術を用いたCMOSセンサの性能評価も行っており、シミュレーションによる詳細な検出器応答のモデル化により、センサの設計パラメータの探索や天体解析のための応答関数構築の技術を確立した。
天体物理学の側面では、理論モデルの構築と検証へ向けて、天体X線データ解析とモンテカルロシミュレーションの開発を進めている。まず、非常に明るい中性子星連星SMC X-1の「すざく」衛星による観測データ全１０回を解析し、降着流に由来すると考えられる鉄輝線を評価した。これは連星の軌道・超軌道位相の異なる時刻でX線反射を見ているもので、３次元的な降着流構造の解明に繋がる可能性がある。また、モンテカルロシミュレーションの光子輸送コードを一般相対論に拡張し、曲がった時空におけるX線放射の計算の基礎実装を完了し、順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
理論・データ解析の観点では、前年度から継続しているモンテカルロ放射輸送コードの一般相対論的効果への拡張に取り組む。それと並行して 、シミュレーションに実装すべき強磁場における物理プロセスの検討を理論的な妥当性やコード実装の観点から行い、テスト実装する。作成したモデルをX線の観測データで予備的な検証を行う。この天体モデルの知見も活かして、開発中の検出器を超小型衛星に搭載した場合のミッション概念検討と実現可能性の評価を実施する。そのための汎用のシミュレーションの枠組みを設計・構築する。
検出器開発の面では、前年度に引き続き、半導体CMOSイメージセンサによる撮像偏光計の開発を推進する。偏光計としての基礎感度の検証、符号化開口マスクの試作による高い角度分解能でのイメージング性能の評価をすでに完了していることから、本年度はより実践的な性能の評価と 新規のセンサ読み出しシステムの製作を行う。SPring-8のシンクロトロン放射光を用いて、偏光感度のエネルギー依存性やセンサの均一性などの詳細評価を実施する。また、同時に符号化開口イメージングと組み合わせた偏光撮像の実証を行う。これらのデータ解析を系統的に行うためのシミュレーション・解析ソフトウェアの枠組みを整備する。
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