秒角以下で天体サイズを測定する多重像式X線干渉計の発明

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K13787
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 林田 清 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (30222227)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: X線干渉計 / タルボ効果 / Ｘ線ピクセル検出器 / CMOS検出器 / 多重像X線干渉計 / MIXIM

研究実績の概要

1993年打ち上げのあすか衛星以降、Ｘ線天文衛星の標準形は斜入射反射望遠鏡と、Ｘ線ピクセル検出器（CCD)を組み合わせたものになっている。角度分解能は、望遠鏡側の性能で決まっている。すざく衛星は約2分角、XMM-Newton衛星は15秒角で、サブ秒角あるいはそれ以下が実現されている長波長側の観測結果と比較する際には、不十分であるケースが多い。一方、1999年に打ち上げられたChandra衛星はＸ線望遠鏡として例学的に高い0.5秒角の角度分解能を実現しているが、これを再製作するのはコスト的、技術的に困難とされている。また、斜入射反射望遠鏡を使用する限り3-12mといった長い焦点距離が必要で、衛星が大型化するという点も問題点である。
本研究は、位相コントラストイメージングの一手法として実用化されているX線タルボ干渉計の構成をベースに多数の像を重ねあわせる、新たな原理の天文用X線干渉計、多重像X線干渉計MIXIMを提案している。回折格子とＸ線ピクセル検出器だけを組み合わせた単純な構成で、サブ秒角の位置分解能を、超小型衛星におさまる50cmサイズで実現する。昨年度までの実験で、4.8ミクロンピッチの格子とピクセルサイズ30ミクロンのX線ピクセル検出器を用いて、マイクロフォーカスX線源を光源とする拡大撮影で、干渉縞を得ることに成功していた。今年度は、ピクセルサイズ4.25ミクロンの可視光用CMOS検出器を導入、これが室温動作でX線光子検出できることを示した。これを用いて、SPring8の200mビームラインで準平行光を照射、12.4keVのX線に対して46cmの格子-検出器間距離で干渉縞を検出することに成功した。像幅は1秒角に対応する。同時にX線偏光検出にも成功した。近傍活動銀河核のトーラスを偏光情報をまじえて撮像分解し、活動銀河核統一モデルの検証を目ざす。

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

最終的な目標である、平行光を用いたX線干渉縞検出に成功した。これを実現するために必要なのがX線光子検出の高い位置分解能である。サブピクセルの位置分解能を得るデータ処理の手法、電荷分割解析を導入したことに加え、可視光用に開発されている微小ピクセル(4.25ミクロン）のCMOS検出器に着目、X線検出できることを実証した点が大きい。より開口率の小さい回折格子の調達のスケジュールが遅れ、期間延長したことを考慮しても、当初の予定より進展したと考えている。

今後の研究の推進方策

これまで多重像X線干渉計に使用してきたピッチ4.8ミクロンの回折格子は、X線タルボ干渉計で用いられるのと同じ開口率0.5のものであった。SPring8実験で像幅1秒角相当の干渉縞を得た際にもこれを用いている。現在納入待ちの状態にあるのが、開口率0.2の回折格子で、これを使用することで、0.4秒角、つまりChandra衛星の分解能を超える解像度を得ることをめざしている。
本研究で提案している多重像X線干渉計は、もともと超小型衛星を念頭においたもので、それが第一目標であることかわりはないが、具体的な観測を検討をしていく過程で、フォーメーションフライトを利用し、例えば100mの距離に格子と検出器を設置するアイデアも発案している。この場合、0.01秒角という角度分解能が期待される。

次年度使用額が生じた理由

本研究で使用する回折格子の製作施設で製造装置の故障が起こり、注文していた製品の納入に約3カ月の納入遅延が生じた。実験室での実験、放射光施設での実験などに遅延が生じるが、納入後は当初の計画通りの実験を実施する。

研究成果

• [雑誌論文] Soft X-ray Imager aboard Hitomi (ASTRO-H) (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Nakajima Hiroshi、Tsunemi Hiroshi、Hayashida Kiyoshi、Tsuru Takeshi Go, Tadayasu Dotani et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 4 ページ: id. 011211
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.4.1.011211
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atmospheric gas dynamics in the Perseus cluster observed with Hitomi* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Yuto Ichinohe, Shutaro Ueda, Ryuichi Fujimoto, Shota Inoue, Caroline A..Kilbourne,Tetsu Kitayama, Maxim Markevitch, BrianR.McNamara, Naomi Ota, FrederickS. Porter, Takayuki Tamura, Keigo Tanaka, Norbert Werner, K. Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.9
  • DOI: 10.1093/pasj/psx138
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of resonant scattering in the Perseus Cluster core with Hitomi SXS* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Kosuke Sato, Irina Zhuravleva, Frits Paerels ,Maki Furukawa, Masanori Ohno, Megan E.Eckart, Akihiro Furuzawa, Caroline A.Kilbourne, Maurice A.Leutenegge, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.10
  • DOI: 10.1093/pasj/psx127
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature structure in the Perseus cluster core observed with Hitomi* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Shinya Nakashima, Kyoko Matsushita, Aurora Simionescu, Mark Bautz, Kazuhiro Nakazawa, Takashi Okajima, Noriko Yamasaki, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.11
  • DOI: 10.1093/pasj/psy004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic data and spectral modeling constraints from high-resolution X-ray observations of the Perseus cluster with Hitomi* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Makoto Sawada, Liyi Gu, Jelle Kaastra, Randall K. Smith, Adam R.Foster, Gregory V. Brown, Hirokazu Odaka, Hiroki Akamatsu, Takayuki Hayashi, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.12
  • DOI: 10.1093/pasj/psx156
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi observation of radio galaxy NGC?1275: The first X-ray microcalorimeter spectroscopy of Fe-Kα line emission from an active galactic nucleus* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Hirofumi Noda, Yasushi Fukazawa, Frederick S.Porter ,LauraW. Brenneman, Koichi Hagino, Taiki Kawamuro ,Shinya Nakashima, Christopher S.Reynolds, Takaaki Tanaka, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.13
  • DOI: 10.1093/pasj/psx147
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Search for thermal X-ray features from the Crab nebula with the Hitomi soft X-ray spectrometer* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Masahiro TSUJIMOTO,Koji MORI, Shiu-HangLEE, Hiroya YAMAGUCHI, Nozomu TOMINAGA, Takashi J. MORIYA,Toshiki SATO, Cor P.DEVRIES, Ryo IIZUKA, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.14
  • DOI: 10.1093/pasj/psx072
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi X-ray studies of giant radio pulses from the Crab pulsar* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Yukikatsu Terada, Teruaki Enoto, Shu Koyama, Aya Bamba, Toshio Terasawa, Shinya Nakashima, Tahir Yaqoob, Hiromitsu Takahashi, Shin Watanabe, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.15
  • DOI: 10.1093/pasj/psx083
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi observations of the LMC SNR N132D: Highly redshifted X-ray emission from iron ejecta* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Eric D.Miller, Hiroya Yamaguchi, Kumiko Nobukawa, Makoto Sawada, Masayoshi Nobukawa, Satoru Katsuda, Hideyuki Mori, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.16
  • DOI: 10.1093/pasj/psx151
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Glimpse of the highly obscured HMXB IGR?J16318?4848 with Hitomi* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Hiroshi Nakajima, Kiyoshi Hayashida, Tim Kallman, Takuya Miyazawa, Hiromitsu Takahashi, Matteo Guainazzi et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.17
  • DOI: 10.1093/pasj/psx154
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In-orbit performance of the soft X-ray imaging system aboard Hitomi (ASTRO-H)* (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi、Maeda Yoshitomo、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Tsunemi Hiroshi、Hayashida Kiyoshi、Tsuru Takeshi G、Dotani Tadayasu、Nagino Ryo、Inoue Shota、Ozaki Masanobu、Tomida Hiroshi et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.21
  • DOI: 10.1093/pasj/psx116
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of a keV-X-ray excess in RX J1856.5?3754 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama Tomokage、Hayashida Kiyoshi、Nakajima Hiroshi、Inoue Shota、Tsunemi Hiroshi
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: id.50
  • DOI: 10.1093/pasj/psx025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Properties of the cosmological filament between two clusters: A possible detection of a large-scale accretion shock by Suzaku (2017)
  • 著者名/発表者名: Akamatsu H.、Fujita Y.、Akahori T.、Ishisaki Y.、Hayashida K.、Hoshino A.、Mernier F.、Yoshikawa K.、Sato K.、Kaastra J. S.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 606 ページ: A1～A1
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201730497
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solar abundance ratios of the iron-peak elements in the Perseus cluster (2017)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration; Kyoko Matsushita, Hiroya Yamaguchi, Kiyoshi Hayashida et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 7681 ページ: 478-480
  • DOI: 10.1038/nature24301
  • 査読あり
• [学会発表] サブ秒角でX線天体を撮影する多重像X線干渉計MIXIM（２）開発の現状 (2018)
  • 著者名/発表者名: 花坂剛史、林田 清、川端智樹、中嶋 大, 井上翔太,松本浩典,常深 博、粟木久光
  • 学会等名: 第18回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] サブ秒角でX線天体を撮影する多重像X線干渉計MIXIM（１）概念検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 林田 清、川端智樹、花坂剛史、中嶋 大, 井上翔太,松本浩典,常深 博、粟木久光
  • 学会等名: 第18回宇宙科学シンポジウム宇宙科学研究所
• [学会発表] Blue Compact銀河中のULXのX線観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古市拓巳、林田清、米山友景、中嶋大、松本浩典
  • 学会等名: 第18回宇宙科学シンポジウム宇宙科学研究所
• [学会発表] サブ秒角でX線天体を撮影する多重像X線干渉計MIXIM（１）概念検討と観測目標 (2018)
  • 著者名/発表者名: 林田清,川端智樹,花坂剛史,朝倉一統,中嶋大,井上翔太,松本浩典,常深博,粟木久光
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] サブ秒角でX線天体を撮影する多重像X線干渉計MIXIM（２）開発の現状 (2018)
  • 著者名/発表者名: 花坂剛史,川端智樹,林田清,朝倉一統,中嶋大,井上翔太,松本浩典,常深博,粟木久光
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] 単独中性子星の keV-excess 探査と質量-半径測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 米山友景, 林田清, 中嶋大, 井上翔太, 松本浩典
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] Blue Compact銀河中のULXのX線観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古市拓巳、林田清、米山友景、中嶋大、松本浩典
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] すざく衛星搭載XIS応答関数のSi-K edge付近残差の解消 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡崎貴樹、林田清、中嶋大、正村陸、米山友景、松本浩典、常深博 、森浩二 、 辻本匡弘
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] Arcsecond and Sub-arcsecond Imaging with X-ray Multi-Image Interferometer and Imager for (very) small sattelites (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Hayashida, T. Kawabata, H. Kurubi, H. Nakajima, S. Inoue, H. Tsunemi
  • 学会等名: The X-ray Universe 2017
  • 国際学会
• [学会発表] サブ秒角のX線天体撮影をめざすMIXIM計画 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林田 清、川端智樹、 中嶋 大、久留飛寛之、井上翔太、常深 博、 志村考功, 細野 凌
  • 学会等名: 第８回SOIPIX会議
• [学会発表] SXI and Future Application of XPD (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Hayashida
  • 学会等名: SNR, XPD, and X-ray Astronomy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Arcseconds and Sub-Arcseconds Imaging with Multi Image X-ray Interferometer Modules for Small Satellites (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Hayashida, Tomoki Kawabata, Takashi Hanasaka, Hiroshi Nakajima, Ryo Hosono, Takayoshi Shimura
  • 学会等名: HSTD11&SOIPIX2017 Symposi
  • 国際学会
• [学会発表] The ground experiment for development of Multi Image X-ray Interferometer Modules (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Kawabata, Kiyoshi Hayashida, Takashi Hanasaka, Hiroshi Nakajima, Ryo Hosono, Takayoshi Shimura
  • 学会等名: HSTD11&SOIPIX2017 Symposi
  • 国際学会
• [学会発表] すざく衛星搭載XIS のSi-K 吸収端付近の応答関数の問題とその改善 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林田 清, 正村 陸, 中嶋 大, 米山友景, 岡崎貴樹, 常深 博, 森浩二
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] X線天文衛星代替機(XARM) 搭載の軟Ｘ線撮像装置の検討状況 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林田清, 冨田洋, 森浩二, 中嶋大, 松本浩典, 常深博, 田中孝明, 内田裕之, 鶴剛, 夏苅権, 山内誠, 廿日出勇, 村上弘志 , 信川正順, 幸村孝由, 萩野浩一, 平賀純子, 信川久美子
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] Ｘ線多重像干渉計MIXIM計画の検討と基礎開発の現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 川端智樹、林田 清、花坂剛史、井上翔太、中嶋 大、松本浩典、常深 博
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] サブ秒角でＸ線天体を撮像する多重像Ｘ線干渉計MIXIM (2017)
  • 著者名/発表者名: 林田 清, 川端智樹, 花坂剛史, 中嶋 大, 井上翔太,松本浩典,常深 博
  • 学会等名: 第14回X線結像光学研究会
• [学会発表] 近傍AGNトーラスの X線空間分解 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林田 清
  • 学会等名: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会
• [学会発表] 単独中性子星XDINSのX線スペクトルにおけるkeV-X線超過成分の探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 米山友景, 林田清, 中嶋大, 井上翔太, 松本浩典
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会