Ｘ線突発天体の監視による重力波源の同定とブラックホール形成メカニズムの研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06342
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 米徳 大輔 金沢大学, 数物科学系, 教授 (40345608)
• 研究分担者: 久徳 浩太郎 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教 (30757125)
• 研究期間 (年度): 2016-05-31 – 2021-03-31
• キーワード: 重力波 / Ｘ線 / 人工衛星 / ブラックホール / 検出器開発

研究実績の概要

重力波天体からの突発的Ｘ線放射を観測し、到来時刻・到来方向を決定するための広視野Ｘ線撮像検出器を開発している。実験室内にＸ線発生装置と蛍光Ｘ線を作り出す６種類のターゲットを配置した熱真空チャンバーを製造し、検出器に対するＸ線照射実験を行った。本検出器の電気的雑音レベルは2keV以下であり、2から20keVの範囲におけるエネルギー応答の線形性やエネルギー分解能を評価し、想定通りの性能であることを確認した。また、衛星軌道上で自律的に電圧オフセットを調整できるようなアルゴリズムを組み込み、正常に動作することを確認した。また、Geant4と呼ばれるモンテカルロシミュレータを利用して、検出器の構造を忠実に反映させた質量構造モデルを作成し、到来Ｘ線に対する応答を確認した。宇宙Ｘ線背景放射や粒子線を模擬したシミュレーションも行い、想定されるバックグラウンドレートを把握し、観測感度が想定どおりであることも確認している。
衛星バス系においては、衛星パネルの製造を行い、ワイヤハーネスの設計・製造を実施した。また、衛星バス系のコンピュータと地上系を模擬したコンピュータ、および観測装置との間で詳細な電気的インターフェース試験を実施した。地上系から送信したコマンドがバス系PCを経由して観測装置へ伝達することと、その逆に、観測装置からのデータが正常に地上系へ伝達できることを確認している。この試験の中では、確率的にエラーが発生するような状態も模擬し、通信エラーが発生した場合はコマンドを再発行するなどの対応により、正常なデータを取得できることも確認した。姿勢制御に関連するセンサーとアクチュエータ間の能動的制御についても順調に開発が進んでいる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

主要なミッション機器である広視野Ｘ線撮像検出器はフライトハードウェア相当が完成し、性能を把握する試験を実施できている。現在はソフトウェアのデバッグ作業を行っている最中である。計画時に予定していた性能どおり、検出器面積100cm2、約1キロ電子ボルトからの読み出し、空間分解能 15分角を達成する検出器を実現している。本計画で使用するアナログ集積回路や民生回路部品に対して放射線試験を実施し、全て30 krad以上の放射線耐性を有することを確認している。また、振動試験と熱真空試験もクリアしている。従って、軌道上で観測を開始できれば、主に10キロ電子ボルト以下で輝く突発天体に対しては NASAのSwift衛星と同等以上の性能を発揮できると期待している。
衛星本体もフライトモデルの構体パネルが完成し、すべてのフライトコンポーネントが揃っている状況である。星センサーの購入にあたって年度内の納品が困難なことが判明したため経費の繰越を行ったが、その分、リアクションホイール・バッテリ・磁気センサ・磁気トルカ等の試験を先行して実施しているため、実質的な遅れは無い状況である。姿勢制御アルゴリズムを念入りに構築することと、全体を組み上げたインテグレーション試験が開発のメインとなる。超小型衛星の開発経験のある研究者や、多くの企業からの協力を受け、開発自体は概ね順調に進んでいると言える。
しかしながら、本計画は科学成果を創出するまでを範疇としているが、2017年1月以降、JAXAからのH-IIAロケットへの相乗り公募が無い状況である。従って、本報告書を作成している段階で打ち上げの機会は確定していない。これは外的な要因であり、研究者側では対応ができないため苦しい状況であるが、本計画の立案時と比べて打ち上げは１年以上遅れることとなる。

今後の研究の推進方策

2019年度は金沢大学衛星のフライトハードウェアの完成、2020年度には衛星バス系のソフトウェアを完成させ、衛星フライトモデルに対する環境試験を実施することを目標としている。
先に記述したように、次のH-IIA相乗り公募の時期が未定であることから、金沢大学衛星の打ち上げ時期も未定である。従って、研究計画を提案した時点と比べて１年程度は実現時期が遅れることとなる。我々は、無理な研究計画の変更は行わずに、次回のH-IIAロケットの相乗り公募（無償枠）を待つことを選択している。打ち上げの遅れを悲観せず、少しでも良い衛星システムを目指して入念な開発を行っていきたいと考えている。これまでに超小型衛星の実績を有する研究グループにレビューやアドバイスを依頼し、人工衛星としての完成度を高めていく予定である。

研究成果

• [雑誌論文] The origin of polarization in kilonovae and the case of the gravitational-wave counterpart AT 2017gfo (2019)
  • 著者名/発表者名: Bulla, M.; Covino, S.; Kyutoku, K.; Tanaka, M.; Maund, J. R.; Patat, F.; Toma, K.; Wiersema, K.; Bruten, J.; Jin, Z. P.; Testa, V.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 ページ: 99-106
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0593-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic effects from black hole-neutron star waveform model uncertainties on the neutron star equation of state (2019)
  • 著者名/発表者名: Chakravarti, Kabir; Gupta, Anuradha; Bose, Sukanta; Duez, Matthew D.; Caro, Jesus; Brege, Wyatt; Foucart, Francois; Ghosh, Shaon; Kyutoku, Koutarou; Lackey, Benjamin D.; Shibata, Masaru; Hemberger, Daniel A.; Kidder, Lawrence E.; Pfeiffer, Harald P.; Scheel, Mark A.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 ページ: 2, 1-13
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.024049
  • 査読あり
• [雑誌論文] How to detect the shortest period binary pulsars in the era of LISA (2019)
  • 著者名/発表者名: Kyutoku, Koutarou; Nishino, Yuki; Seto, Naoki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 483 ページ: 2615-2620
  • DOI: 10.1093/mnras/sty3322
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kanazawa-SAT3: micro-satellite mission for monitoring x-ray transients coincide with gravitational wave events (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, Kazuki; Yonetoku, Daisuke; Arimoto, Makoto; et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 10699 ページ: 1069962, 1-9
  • DOI: 10.1117/12.2313443
• [雑誌論文] Toward unveiling the relativistic fireball (2018)
  • 著者名/発表者名: Yonetoku, Daisuke
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 ページ: 200-201
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0678-7
• [雑誌論文] Prospects of the local Hubble parameter measurement using gravitational waves from double neutron stars (2018)
  • 著者名/発表者名: Seto, Naoki; Kyutoku, Koutarou
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 475 ページ: 4133-4139
  • DOI: 10.1093/mnras/sty090
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detectability of thermal neutrinos from binary neutron-star mergers and implications for neutrino physics (2018)
  • 著者名/発表者名: Kyutoku, Koutarou; Kashiyama, Kazumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.103001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Global simulations of strongly magnetized remnant massive neutron stars formed in binary neutron star mergers (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiuchi, Kenta; Kyutoku, Koutarou; Sekiguchi, Yuichiro; Shibata, Masaru
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 ページ: 12, 1-16
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.124039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of inhomogeneity on primordial black hole formation in the matter dominated era (2018)
  • 著者名/発表者名: Kokubu, Takafumi; Kyutoku, Koutarou; Kohri, Kazunori; Harada, Tomohiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 ページ: 12, 1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.123024
  • 査読あり
• [学会発表] 重力波源 X 線対応天体探査計画 Kanazawa-SAT3フライトモデル製作状況 (3) (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤野達哉
  • 学会等名: 日本天文学会2019春季年会
• [学会発表] ショートガンマ線バーストに付随する初 期 X 線放射の指数関数的減光と時定 数 - 光度相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加川保昭
  • 学会等名: 日本天文学会2019春季年会
• [学会発表] ショートガンマ線バーストの残光におけ る吸収と減光の系統的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田和輝
  • 学会等名: 日本天文学会2019春季年会
• [学会発表] ガンマ線バーストを用いた初期宇宙・極限時空探査計画 HiZ-GUNDAM の進捗 (2019)
  • 著者名/発表者名: 米徳大輔
  • 学会等名: 日本物理学会2019春季年会
• [学会発表] 超小型衛星計画Kanazawa-SAT3におけるガンマ線バーストモニター試作モデルの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三原建弘
  • 学会等名: 日本物理学会2019春季年会
• [学会発表] ガンマ線バーストを用いた初期宇宙・極限時空探査計画HiZ-GUNDAM (2018)
  • 著者名/発表者名: 米徳大輔
  • 学会等名: DECIGOワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Summary of gamma-ray polarimetry with IKAROS-GAP (2018)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Yonetoku
  • 学会等名: Shedding new light on Gamma-Ray Bursts with polarization data
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GAP2 Experiment onboard OKEANOS Solar Power Sail to Jupiter/Trojan Asteroid (2018)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Yonetoku
  • 学会等名: Shedding new light on Gamma-Ray Bursts with polarization data
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ガンマ線バーストを用いた初期宇宙 ・ 極 限時空探査計画 HiZ-GUNDAM の進捗 (2018)
  • 著者名/発表者名: 米徳大輔
  • 学会等名: 日本天文学会2018秋季年会
• [学会発表] 重力波源 X 線対応天体探査計画 Kanazawa-SAT3フライトモデル製作状況(2) (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤野達哉
  • 学会等名: 日本天文学会2018秋季年会
• [学会発表] 超小型衛星搭載広視野 X 線撮像検出 器の撮像性能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木大智
  • 学会等名: 日本天文学会2018秋季年会
• [学会発表] 超小型衛星搭載ガンマ線検出器試作モ デルの評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡辺彰汰
  • 学会等名: 日本天文学会2018秋季年会
• [備考] 米徳大輔ホームページ
  • URL: http://astro.s.kanazawa-u.ac.jp/~yonetoku/
• [備考] 金沢大学衛星プロジェクトホームページ
  • URL: http://kanazawa-sat.w3.kanazawa-u.ac.jp/course.html