2023 Fiscal Year Annual Research Report
Unveiling the physics of ultrastrong magnetic field with broadband X-ray polarimetry of neutron stars
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22H00128
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小高 裕和 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (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 東京大学, 宇宙線研究所, 特任研究員 (90750464)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 中性子星 / 強磁場 / X線偏光 / ガンマ線偏光 / 符号化イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子星の表面付近は、1兆ガウスを超える磁場が巨視的なスケールで存在するという宇宙でも圧倒的に特異な環境である。本研究は、中性子星の種族の中では天体物理的な環境が比較的よくわかっている「降着型パルサー」に着目し、超強磁場の下で物質と放射が如何に振る舞うか、その物理過程の精密な理解を目指す。そのために実験・理論の両面で新技術を導入し、(1) シリコン半導体ピクセル検出器を利用した新しい硬X線偏光計の実用化、(2) 輻射流体シミュレーションとモンテカルロ輻射輸送計算の連携による降着流プラズマの3次元X線放射モデルの構築、(3) 広帯域X線スペクトル・ X線偏光解析によるモデルの検証とフィードバックを行うことを目的とする。
2023年度はピクセルサイズが1.5マイクロメートルの新しい「微小ピクセルCMOSイメージセンサ」を用いて、SPring-8のシンクロトロン放射光を用いてX線偏光性能を評価した。これまでのピクセルサイズが2.5マイクロメートルのCMOSセンサを用いて原理実証実験を行ってきたが、ピクセルサイズをさらに小さくすることで、大きな偏光モジューレションが得られ、偏光検出感度の向上と適用エネルギーを低い方向に広げることに寄与する。この結果は論文投稿済である。
また100 keV-10 MeVの硬X線・軟ガンマ線帯域の偏光観測に向けて、大有効面積を持つ液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを用いた偏光計の開発にも取り組んでいる。液体アルゴン放射線検出器は地上実験では実用化されているが、天体観測に必須となる飛翔体搭載の実績がなかった。我々は世界初の液体アルゴン放射線検出器の気球搭載試験を2023年7月に北海道の大樹航空宇宙実験場で実施し、気球フライトと液体アルゴン放射線検出器の安定運用を成功させた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
半導体イメージセンサを用いたX線偏光計は、これまで原理実証・技術実証の域を出ていなかったが、本研究でセンサの詳細な性能評価や解析手法の整理を行なったことで、実用化に向けた方向性を見出すことができている。さらなる偏光感度の向上を目指し、ピクセルサイズの小さなセンサの開発も進め、SPring-8のシンクロトロン放射光を用いた性能評価も期待通りの結果が出ており、開発経過は順調である。さらに、エネルギー範囲をマグネターフレアの偏光観測で重要となる軟ガンマ線帯域まで拡張するため、大有効面積を実現可能な液体アルゴンを用いたコンプトン偏光計の開発にも乗り出し、JAXA国内気球実験の枠組みを用いて飛翔体搭載試験も成功させることができた。これらを踏まえると当初計画は概ね順調であり、さらに新しいアイデアの偏光計の開発にも踏み出すことができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画3年目も2年目に実施した研究課題を継続するほか、天体X線観測データを用いた降着流モデルの構築を進める。装置開発としては、性能評価を実施した微小ピクセルセンサをより実用的にするための読み出し系の高速化、液体アルゴンガンマ線偏光計の実証試験を進める。天体物理の研究としては、降着流モデルを流体シミュレーション・輻射輸送シミュレーションを用いて構築し、研究計画通りNuSTAR・IXPE衛星のデータとの比較を行うほか、2023年に軌道投入されたXRISMの高いエネルギー分解能をいかしたデータ解析も実施する。
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