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

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J20910
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 伊師 大貴 東京都立大学, 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

地球周辺では、太陽風に含まれる重イオンが 10 地球半径以上に広がる希薄な超高層大気から電子を奪い、電荷交換X線を生じる。本研究の目的は、この地球周辺の電荷交換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つつ、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手段を開拓することである。そのために、(1) 月付近の探査衛星による世界初の地球周辺の電荷交換X線の俯瞰的・広視野撮像に向けた独自の超軽量 Wolter I型X線望遠鏡の開発と宇宙実証を行い、(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世界で初めて構築する。望遠鏡開発では、約 10 名程度の開発チームを主導し、角度分解能の向上を目指した新プロセスの構築に取り組み、鏡の平坦性による形状精度と鏡の正確な配置による配置精度の両面において改善を達成した。さらに、反射率を上げるために欠かせない原子層堆積法を用いた Pt 膜付の新たな条件出しを行い、表面粗さの改善にも成功した。同時に、将来衛星の打ち上げを模擬した音響試験を実施し、環境耐性を確かめることにも貢献した。関連する成果は投稿論文や学会発表としてまとめており、発表賞も受賞した。衛星データ解析では、地球周辺の電荷交換X線が「すざく」と XMM-Newton 衛星で同時に受かっているイベントを系統探索するという新たなアプローチを行い、既存モデルによる発光強度予測が観測よりも明らかに低いことを見出した。同様に関連する成果は学会発表を行い、投稿論文としてまとめている最中である。

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線の解明と惑星科学への応用に向けて、(1) 探査衛星に搭載できる独自の超軽量 Wolter I型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。

望遠鏡開発においては、超長時間アニールと化学機械研磨を複合した新プロセスの確立、高温塑性変形に用いる高精度プレス治具の改良、原子層堆積法による Pt 膜付の新たな条件出しを行い、従来を上回る角度分解能と衛星搭載の目標を満たす表面粗さを達成した。特に Pt 膜付に関する成果は Applied Physics Express 誌にレター論文として受理・掲載され、地球電磁気・地球惑星圏 (SGEPSS) 学会で学生発表賞「オーロラメダル」を受賞した。さらに、全工程を施した Wolter I型望遠鏡の 1・2段分を組み立て、実際の搭載検出器や可視光防護フィルタを含むハウジング・バッフル等に取り付けた状態で望遠鏡の音響耐性を確かめた。衛星搭載に向けて順調に開発が進んでいる。

衛星データ解析においては、「すざく」と XMM-Newton 衛星の全公開データを用いた系統解析を進め、両衛星で同時に発光が受かっているイベントを同定した。太陽風フラックスで規格化した発光強度を既存モデルと比較した結果、発光強度予測が観測よりも明らかに低いことを見出した。COSPAR 国際会議等で口頭発表を行い、現在議論を深め、投稿論文を準備している。3次元的な地球周辺の電荷交換X線の時空間構造モデルの構築に向けて着実に進展している。

Strategy for Future Research Activity

望遠鏡開発においては、搭載検出器や可視光防護フィルタを合わせた状態で所定のX線に対する目標性能を達成できるか確認し、望遠鏡の応答関数を構築する。既にハウジング・バッフル等の詳細設計は完了しており、必要に応じて、各製作プロセスにフィードバックしつつ、振動衝撃・熱サイクル・熱真空試験等を行い、環境耐性を確認する。

衛星データ解析においては、名古屋大や東北大の惑星科学研究者と議論を深め、「すざく」と XMM-Newton 衛星の系統解析で得られた結果を投稿論文にまとめる。太陽風データを入力とした MHD シミュレーションを利用しつつ、3次元的な地球周辺の電荷交換X線の時空間構造モデルを完成し、望遠鏡の応答関数と組み合わせることで、将来探査に向けた観測見積もりを固める。

Research Products

• [Journal Article] Enhanced X-ray reflectivity from Pt-coated silicon micropore optics prepared by plasma atomic layer deposition (2020)
  • Author(s): D. Ishi, Y. Ezoe, K. Ishikawa, M. Numazawa, A. Fukushima, R. Otsubo, H. Suzuki, T. Yuasa, S. Sakuda, T. Uchino, M. Fujitani, K. Mitsuda, M. J. Sowa
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Pages: 087001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/aba7a5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiplexing lobster-eye optics: a concept for wide-field x-ray monitoring (2020)
  • Author(s): T. Tamagawa, K. Uchiyama, R. Otsubo, T. Yuasa, Y. Zhou, T. Mihara, Y. Ezoe, M. Numazawa, D. Ishi, A. Fukushima, H. Suzuki, T. Uchino, S. Sakuta, K. Ishikawa, T. Enoto, T. Sakamoto
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 6 Pages: 025003
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.6.2.025003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Source position determination method of multiplexing lobster-eye optics (2020)
  • Author(s): K. Uchiyama, T. Tamagawa, T. Mihara, Y. Zhou, Y. Ezoe, M. Numazawa, D. Ishi, R. Otsubo, A. Fukushima, T. Yuasa, H. Suzuki, T. Uchino, S. Sakuda, K. Ishikawa
  • Journal Title: Proc. SPIE (Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray) Volume: 11444 Pages: 114447E
  • DOI: 10.1117/12.2560427
  • Open Access
• [Presentation] Geocoronal solar wind charge exchange emission simultaneously observed with Suzaku and XMM-Newton (2021)
  • Author(s): D. Ishi, K. Ishikawa, Y. Ezoe, Y. Miyoshi, N. Terada
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New concept for wide-field X-ray monitoring with multiplexing Lobster-eye optics (2021)
  • Author(s): T. Tamagawa, K. Uchiyama, R. Otsubo, T. Yuasa, Y. Zhou, T. Mihara,Y. Ezoe, M. Numazawa, D. Ishi, A. Fukushima, H. Suzuki, T. Uchino, S. Sakuda, K. Ishikawa, T. Enoto, T. Sakamoto
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Earth's magnetosphere imaging mission : GEO-X (2021)
  • Author(s): K. Ishikawa, Y. Ezoe, R. Funase, H. Nagata, Y. Miyoshi, S. Kasahara, H. Nakajima, I. Mitsuishi, 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: 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シリコン高温塑性変形技術を用いた湾曲ブラッグ反射型X線偏光計の開発 (2021)
  • Author(s): 伊師大貴, 内野友樹, 江副祐一郎, 石川久美, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 作田紗恵, 稲垣綾太, 上田陽功, 廣本悠透, 沼澤正樹, 満田和久, 森下浩平, 中嶋一雄
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 「すざく」と XMM-Newton 衛星の多点同時観測で探る地球周辺の太陽風電荷交換X線の空間分布 (2021)
  • 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2021年春季年会
• [Presentation] MEMS 技術を用いた超軽量X線望遠鏡の開発 (2021)
  • Author(s): 作田紗恵, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 伊師大貴, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 内野友樹, 稲垣綾太, 上田陽功, 廣本悠透, 満田和久, 森下浩平, 中嶋一雄, 金森義明
  • Organizer: 第21回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 高温塑性変形技術を用いたシリコン湾曲ブラッグ反射型X線偏光計の開発 (2021)
  • Author(s): 上田陽功, 伊師大貴, 内野友樹, 江副祐一郎, 石川久美, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 作田紗恵, 稲垣綾太, 廣本悠透, 沼澤正樹, 満田和久, 森下浩平, 中嶋一雄
  • Organizer: 第68回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高温塑性変形技術を用いた Si 湾曲ブラッグ反射型偏光計の開発 (2021)
  • Author(s): 内野友樹, 伊師大貴, 江副祐一郎, 石川久美, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 作田紗恵, 稲垣綾太, 上田陽功, 廣本悠透, 沼澤正樹, 満田和久, 森下浩平, 中嶋一雄
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] ALD 技術を取り入れた全反射鏡の開発およびX線反射率測定による性能評価 (2021)
  • Author(s): 武尾舞, 中庭望, 江副祐一郎, 石川久美, 伊師大貴, 石田學, 前田良知, 沼澤正樹
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] Source position determination method of multiplexing lobster-eye optics (2020)
  • Author(s): K. Uchiyama, T. Tamagawa, T. Mihara, Y. Zhou, Y. Ezoe, M. Numazawa, D. Ishi, R. Otsubo, A. Fukushima, T. Yuasa, H. Suzuki, T. Uchino, S. Sakuda, K. Ishikawa
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球磁気圏X線撮像計画 GEO-X に向けた超軽量X線望遠鏡のプラズマ原子層堆積法による Pt 膜付加工 (2020)
  • Author(s): 伊師大貴, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 福島碧都, 鈴木光, 湯浅辰哉, 内野友樹, 作田紗恵, 稲垣綾太, 上田陽功, 廣本悠透, 満田和久
  • Organizer: 第148回 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] すざく衛星の観測による太陽風電荷交換反応由来の S XVI 輝線の発見 (2020)
  • Author(s): 朝倉一統, 松本浩典, 岡崎貴樹, 米山友景, 野田博文, 林田清, 常深博, 伊師大貴, 江副祐一郎, 中嶋大, 勝田哲
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会
• [Presentation] 広視野 MEMS Lobster eye X線光学系の開発 (2020)
  • Author(s): 湯浅辰哉, 江副祐一郎, 石川久美, 沼澤正樹, 伊師大貴, 福島碧都, 鈴木光, 内野友樹, 作田紗恵, 稲垣綾太, 上田陽功, 廣本悠透, 満田和久
  • Organizer: 第81回 応用物理学会秋季学術講演会