精密X線分光と放射輸送計算による超高速アウトフローの形成メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 21K13963
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 東京大学 (2022); 東京理科大学 (2021)
• 研究代表者: 萩野 浩一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70762061)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: ブラックホール / 超精密X線分光 / 超高速アウトフロー / モンテカルロシミュレーション / 放射輸送計算

研究開始時の研究の概要

超高速アウトフローは、巨大ブラックホール近傍から鉄などの重元素を光速の数十%もの速度で放出する現象であり、巨大ブラックホールと銀河の共進化に重要な役割を果たしていると考えられる。しかし、現状の観測装置では、観測可能な天体が限定されている上に、明るい天体に対しても感度が不十分であるため、その基本的な形成メカニズムですら不明である。
本研究では、2022年度打ち上げ予定のXRISM衛星による精密X線分光観測と独自の放射輸送計算によるX線スペクトルモデルを組み合わせることで、超高速アウトフローの形成メカニズムを解明することを目指す。

研究実績の概要

超高速アウトフローは銀河中心の超巨大ブラックホール近傍から光速の数十%という極めて光速で鉄などの重元素を放出する現象であり、その莫大な運動エネルギーから銀河とブラックホールの共進化において重要な役割を果たしていると考えられている。本研究の目的は、XRISM衛星による超精密X線分光観測と3次元放射輸送計算により、超高速アウトフローの形成メカニズムを解明することである。
今年度は、XRISM衛星の開発を進めるとともに、XRISM衛星で観測予定の超高速アウトフロー天体であるPDS 456 (PI: 萩野) の観測に向けた準備を進めた。特に、XRISM衛星による軟X線帯域での超精密分光データを最大限に活用するために、分光性能は低いものの軟X線帯域で大有効面積を有するXMM-Newton衛星、XRISM衛星では観測できない硬X線帯域に感度を持つNuSTAR衛星、さらには、超高速アウトフローに対応する紫外線帯域での吸収線構造と見られる構造が観測可能なHubble Space Telescopeの観測を計画し、実際にこれらの衛星に対して観測提案を行った。その結果、XMM-Newton衛星の120 ks、NuSTAR衛星の150 ksの観測が無事にPriority Aで採択された。今後はHubble Space Telescopeにも観測提案を行う予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究を実現する鍵となるXRISM衛星による超高速アウトフローの精密X線分光観測の実現に向けて、XRISM衛星による超高速アウトフローの観測計画の構築を着実に進めることができている。しかしながら、H3ロケットの打ち上げ失敗の影響によってXRISM衛星の打ち上げ時期が遅延しているため、「やや遅れている」とした。

今後の研究の推進方策

XRISM衛星による超精密X線分光観測データを最大限に活用するために、超高速アウトフローに対応するとされる紫外線帯域での吸収線の同時観測をHubble Space Telescopeに観測提案する。
さらに、XRISM衛星の打ち上げに向けて、XRISM衛星による超精密X線分光と並ぶ本研究のもう１つの柱である3次元放射輸送計算を用いた解析をさらに進めていくことを予定している。特に、超高速アウトフローの内部に生じる速度や密度構造の非一様性・非均一性によるX線スペクトル上の吸収線構造や輝線構造の変化を調べていく。これらに加えて、現在のX線観測衛星による超高速アウトフローの観測データの解析も進めることで、XRISM衛星による観測データが得られた後に、超高速アウトフローの形成メカニズムの解明に迫れるように準備を進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] X-ray radiation damage effects on double-SOI pixel detectors for the future astronomical satellite FORCE (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitajima Masatoshi、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Hayashida Mitsuki、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Yarita Keigo、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 8 号: 02 ページ: 26007-26007
  • DOI: 10.1117/1.jatis.8.2.026007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single event tolerance of x-ray silicon-on-insulator pixel sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kohmura Takayoshi、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Kitajima Masatoshi、Tsuru Takeshi G.、 et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 8 号: 04 ページ: 046001-046001
  • DOI: 10.1117/1.jatis.8.4.046001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The faintest solar coronal hard X-rays observed with FOXSI (2022)
  • 著者名/発表者名: Buitrago-Casas Juan Camilo、Glesener Lindsay、Christe Steven、et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 665 ページ: A103-A103
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202243272
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of the focal-plane CMOS detector for the GEO-X mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi、Nakamura Shotaro、Hagino Koichi、Kiuchi Ayumi、Matsumoto Takuya、Yamagami Tohya、Yoneyama Tomokage、Hiraga Junko、Ezoe Yuichiro、Ishikawa Kumi
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 12181 ページ: 87-87
  • DOI: 10.1117/12.2628788
• [雑誌論文] GEO-X (GEOspace x-ray imager) (2022)
  • 著者名/発表者名: Ezoe Yuichiro、Funase Ryu、Nagata Harunori、Miyoshi Yoshizumi、Nakajima Hiroshi、Mitsuishi Ikuyuki、Ishikawa Kumi、Kawabata Yosuke、Nakajima Shintaro、Kamps Landon、Numazawa Masaki、Yoneyama Tomokage、Hagino Kouichi、Matsumoto Yosuke、Hosokawa Keisuke、Kasahara Satoshi
  • 雑誌名: SPIE 巻: 12181 ページ: 1218124-1218124
  • DOI: 10.1117/12.2629107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsunomachi Shun、Kohmura Takayoshi、Hagino Kouichi、Kitajima Masatoshi、Doi Toshiki、Aoki Daiki、Ohira Asuka、Shimizu Yasuyuki、Fujisawa Kaito、Yamazaki Shizusa、Uchida Yuusuke、Shimizu Makoto、Itoh Naoki、Arai Yasuo、Miyoshi Toshinobu、Nishimura Ryutaro、Tsuru Takeshi G.、Kurachi Ikuo
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 12191 ページ: 12191-12191
  • DOI: 10.1117/12.2629771
• [雑誌論文] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Koji Mori, Takeshi G. Tsuru, Tetsu Kitayama (31番目), 他
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation 巻: 12181 ページ: 1218122-1218122
  • DOI: 10.1117/12.2628772
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM) (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、（他52名）
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 12181 ページ: 11-11
  • DOI: 10.1117/12.2626894
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (9) (2023)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子, 森浩二, 冨田洋, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (11) (2023)
  • 著者名/発表者名: 野田博文, 森浩二, 冨田洋, 他
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Recent progress in development of trigger-output event-driven x-ray astronomy SOI pixel sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Go Tsuru, Hiroyuki Uchida, Kazuho Kayama, et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors (2022)
  • 著者名/発表者名: Shun Tsunomachi, Takayoshi Kohmura, Kouichi Hagino, Masatoshi Kitajima, Toshiki Doi, Daiki Aoki, Asuka Ohira, Yasuyuki Shimizu, Kaito Fujisawa, Shizusa Yamazaki, Yuusuke Uchida, Makoto Shimizu, Naoki Itoh, Yasuo Arai, Toshinobu Miyoshi, Ryutaro Nishimura, Takeshi Go Tsuru, and Ikuo Kurachi
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Koji Mori, Takeshi G. Tsuru, Kazuhiro Nakazawa, et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] GEO-X (GEOspace X-ray imager) (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ezoe, Ryu Funase, Harunori Nagata, et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) (2022)
  • 著者名/発表者名: Koji Mori, Hiroshi Tomida, Hiroshi Nakajima, et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the focal-plane CMOS detector for the GEO-X mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakajima, Shotaro Nakamura, Koichi Hagino, Ayumi Kiuchi, Takuya Matsumoto, Tohya Yamagami, Tomokage Yoneyama, Junko S. Hiraga, Yuichiro Ezoe, and Kumi Ishikawa
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] X線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (8) (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林翔悟, 鈴木寛大, 森浩二, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 地球磁気圏 X 線撮像計画 GEO-X 搭載高速 CMOS イメージセンサーのデータ 取得システムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 萩野浩一, 中嶋大, 中村彰太郎, 松本拓也, 米山友景, 平賀純子, 江副祐一郎
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のフライト用 CCD 素子の地上較正試験に おける分光性能の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮﨑啓太郎, 寺田裕太, 金丸善朗, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 XRISM 搭載 X 線 CCD の軟 X 線帯域の検出効率の測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木大輝, 幸村孝由, 小林翔悟, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のイベント検出アルゴリズムのパラメタ 決定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大塚芳徳, 金丸善朗, 宮﨑啓太郎, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 XRISM 搭載 CCD 検出器における Goffset のシミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木悠馬，信川久実子，信川正順, 他
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (10) (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木寛大, 小林翔悟, 森浩二, 他
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] Simulation study of pulse height difference between pixel patterns of X-ray CCDs onboard the XRISM satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Aoki, Kumiko K. Nobukawa, Yamato Ito, et al.
  • 学会等名: 10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging
  • 国際学会
• [学会発表] X線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載 軟X線撮像装置 (Xtend) の 開発の現状 (7) (2022)
  • 著者名/発表者名: 萩野浩一
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 活動銀河中心からの超高速アウトフローとスペクトル吸収構造の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 萩野浩一
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
  • 招待講演