超軽量X線望遠鏡を用いた地球周辺における電荷交換反応の俯瞰的な広視野撮像

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J20910
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 伊師 大貴 首都大学東京, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: X線天文学 / 電荷交換X線 / 超軽量X線望遠鏡 / 微細加工技術 / 地球磁気圏 / 惑星科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、太陽風に含まれる重イオンが地球周辺に薄く広がる中性大気と生じる電荷交換X線の空間分布や時間変化を調べ、宇宙で普遍的な電荷交換反応の理解を深めながら、太陽風に対する磁気圏の振る舞いや流出大気の分布を調べる惑星科学の新たな手段として確立することである。そのために、(1) 探査衛星による月付近からの俯瞰的・広視野観測に向けた独自の超軽量X線望遠鏡の製作と宇宙実証を行い、(2) 既存の衛星データを用いた地球周辺の電荷交換X線の時空間構造モデルを構築する。前者は Si 基板の微細加工技術を用いた独自手法である。私は約 10 名程度の開発チームを主導し、鏡面の平坦化に用いる高温アニールの長時間化、鏡配置に寄与する基板の変形精度の向上、そして反射率向上のための原子層堆積法の開発を行い、全工程において、従来を上回る性能を達成した。関連する成果は主著者として論文を投稿した他、国内外の学会で発表している。後者の衛星データの解析では、「すざく」衛星の約 2000 を超える観測データを自動的に解析するツールを構築・改良し、地球周辺の電荷交換反応に起因すると考えられるイベントを同定しつつ、それらの磁気圏に対する視線方向の依存性や発光効率を定量的に評価した。その結果、発光が異方的に生じている描像が得られ、これを検証するため、欧 XMM-Newton 衛星の全公開データ解析を進めている。同様に関連する成果は主著者として学会発表してきた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目的である、地球周辺の電荷交換X線の発光特性の理解と惑星科学の応用に向けて、(1) 探査衛星に搭載できる独自の超軽量X線望遠鏡の開発と (2) 既存の衛星データを用いた大規模な系統解析を進めてきた。

X線望遠鏡の開発においては、超長時間アニール、変形プロセスの最適化、そして原子層堆積法による Pt 膜付を行い、衛星搭載の目標に迫る角度分解能と表面粗さを達成した。特に Pt 膜付の開発は主著者として論文を投稿した他、AXRO 国際会議等で口頭発表している。また形状の良い鏡面を選択的に取り出す化学機械研磨の開発が共著者として Applied Optisc 誌に受理・出版された。さらに音響試験も実施しており、衛星搭載に向けて順調に開発が進んでいる。

衛星データの解析においては、「すざく」衛星で得られた全発光イベントのX線強度、太陽活動依存性、太陽フラックスで規格化した発光効率、そして視線方向依存性を定量的に評価した。発光が等方的ではなく、異方的に生じている可能性を突き止め、主著者として地球電磁気・地球惑星圏 (SGEPSS) 学会や天文学会等で口頭発表した。現在投稿論文にまとめている。また「すざく」衛星とは異なる軌道を周回する XMM-Newton 衛星データ解析にも着手しており、3次元発光モデルの構築に向けて着実に進展している。

Strategy for Future Research Activity

X線望遠鏡の開発においては、衛星搭載の目標を満たすために各々最適化してきた製作プロセス全てを施した望遠鏡の 1・2段分を完成させ、各段の組み立て試験を実施する。既に組み立て手順の確認やアライメントリングの製作は完了している。X線照射試験で性能評価を行い、必要に応じて、各製作プロセスにフィードバックしつつ、検出器もしくは可視光防護フィルタを組み合わせ、放射線照射試験等の環境試験も適宜実施したい。

衛星データの解析においては、「すざく」衛星データの系統解析で得られた結果を投稿論文にまとめる。太陽活動に対する発光頻度の依存性だけでなく、各視線方向の発光効率から地球の超高層大気である外圏密度の議論に踏み込みたい。並行して XMM-Newton 衛星データの解析を進め、最終的に「すざく」衛星と観測時期が重なり、なおかつ同時に発光しているイベントを同定する。既に同時発光イベントを数例見つけており、同様に投稿論文としてまとめつつ、3次元的な地球周辺の電荷交換X線発光モデルの完成に繋げたい。

Research Products

• [Journal Article] Grinding and chemical mechanical polishing process for micropore X-ray optics fabricated with deep reactive ion etching (2019)
  • Author(s): A. Fukushima, M. Fujitani, K. Ishikawa, M. Numazawa, D. Ishi, R. Otsubo, H. Nagatoshi, H. Suzuki, T. Yuasa, T. Ohashi, K. Mitsuda, Y. Ezoe
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 58 Pages: 5240-5247
  • DOI: 10.1364/AO.58.005240
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Geocoronal Solar Wind Charge Exchange Events Simultaneously Detected by Suzaku and XMM-Newton (2020)
  • Author(s): D. Ishi, K. Ishikawa, Y. Ezoe, Y. Miyoshi, N. Terada
  • Organizer: The 21st Symposium on Planetary Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEMS 技術を用いた超軽量X線望遠鏡の開発 (2020)
  • Author(s): 鈴木光, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 伊師大貴, 大坪亮太, 福島碧都, 湯浅辰哉, 内野友樹, 作田紗恵, 満田和久, 森下浩平, 中嶋一雄, 金森義明
  • Organizer: 第20回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 撮像素子の数を大幅に削減する多重化ロブスターアイX線光学系の開発実証 (2020)
  • Author(s): 周圓輝, 玉川徹, 三原建弘, 内山慶祐, 江副祐一郎, 沼澤正樹, 伊師大貴, 大 坪亮太, 福島碧都, 湯浅辰哉, 鈴木光, 内野友樹, 作田紗恵, 石川久美
  • Organizer: 第20回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 原子層堆積法の宇宙X線望遠鏡への応用 (2020)
  • Author(s): 福島碧都, 伊師大貴, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 大坪亮太, 鈴木光, 湯浅辰哉, 内野友樹, 作田紗恵, 満田和久
  • Organizer: 第67回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] X線天文衛星「すざく」で観測した彗星における電荷交換反応モデルの検証 (2020)
  • Author(s): 鈴木光, 江副祐一郎, 沼澤正樹, 伊師大貴, 石川久美
  • Organizer: 日本天文学会 2020 年春季年会
• [Presentation] Metal-coated MEMS X-ray Optics using atomic layer deposition (2019)
  • Author(s): D. Ishi, Y. Ezoe, M. Numazawa, A. Fukushima, R. Otsubo, H. Suzuki, T. Yuasa, S. Sakuda, T. Uchino, K. Ishikawa, K. Mitsuda
  • Organizer: 12th International Workshop on Astronomical X-Ray Optics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a miniaturized X-ray imager for GEOspace X-ray imager (GEO-X) (2019)
  • Author(s): K. Ishikawa, Y. Ezoe, M. Numazawa, D. Ishi, M. Fujitani, R. Otsubo, A. Fukushima, H. Suzuki, T. Yuasa, H. Nakajima, J. Hiraga, Y. Miyoshi, S. Kasahara, K. Mitsuda
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geospace Imaging via the soft X-ray imager: GEO-X mission (2019)
  • Author(s): Y. Miyoshi, Y. Ezoe, S. Kasahara, Y. Matsumoto, K. Ishikawa, R. Kataoka, H. Ito, D. Ishi, M. Numazawa, A. Yamazaki, H. Hasegawa, M. Fujimoto, K. Mitsuda
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First demonstration of Lobster eye X-ray optics fabricated with deep reactive ion etching (2019)
  • Author(s): R. Otsubo, Y. Ezoe, K. Ishikawa, M. Numazawa, D. Ishi, A. Fukushima, H. Suzuki, T. Yuasa, S. Sakuda, T. Uchino, K. Mitsuda
  • Organizer: 32nd Internatinal Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pt plasma atomic layer deposition for micropore X-ray optics fabricated with silicon deep reactive ion etching (2019)
  • Author(s): A. Fukushima, D. Ishi, Y. Ezoe, K. Ishikawa, M. Numazawa, R. Otsubo, H. Suzuki, T. Yuasa, S. Sakuda, T. Uchino, K. Mitsuda, M. J. Sowa
  • Organizer: 32nd Internatinal Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geo-X : Geospace X-ray Imager (2019)
  • Author(s): Y. Ezoe, R. Funase, H. Nagata, Y. Miyoshi, S. Kasahara, H. Nakajima, I. Mitsuishi, K. Ishikawa, J. Hiraga, K. Mitsuda, M. Fujimoto, M. Ueno, M. Numazawa, D. Ishi, R. Otsubo, A. Fukushima, H. Suzuki, T. Yuasa, S. Sakuda, T. Uchino
  • Organizer: The 4th COSPAR Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 「すざく」衛星を用いた地球磁気圏における電荷交換X線発光の系統解析 (2019)
  • Author(s): 伊師大貴, 石川久美, 江副祐一郎, 三好由純, 寺田直樹
  • Organizer: 地球磁気圏撮像観測に関する研究会
• [Presentation] MEMS 技術を用いた超軽量X線望遠鏡の ALD による Pt 膜付加工 (2019)
  • Author(s): 伊師大貴, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 大坪亮太, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 内野友樹, 作田紗恵, 満田和久, M. J. Sowa
  • Organizer: 日本天文学会 2019 年秋季年会
• [Presentation] X線天文衛星「すざく」を用いた地球磁気圏における電荷交換X線発光イベントの系統解析 (2019)
  • Author(s): 伊師大貴, 石川久美, 江副祐一郎, 三好由純, 寺田直樹
  • Organizer: 第146回 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] 「すざく」と XMM-Newton 衛星で同時検出した地球周辺の電荷交換X線発光 (2019)
  • Author(s): 伊師大貴, 石川久美, 江副祐一郎, 三好由純, 寺田直樹
  • Organizer: 日本天文学会 2020 年春季年会
• [Presentation] プラズマ原子層堆積法を用いたX線光学系の Pt 膜付け加工 (2019)
  • Author(s): 福島碧都, 伊師大貴, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 大坪亮太, 鈴木光, 湯浅辰哉, 内野友樹, 作田紗恵, 満田和久, M. J. Sowa
  • Organizer: 第80回 応用物理学会秋季学術講演会