大口径大気チェレンコフγ線望遠鏡の稼働で迫る高エネルギー天体現象の発展的理解

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01126
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 窪 秀利 京都大学, 理学研究科, 准教授 (40300868)
• 研究分担者: 中森 健之 山形大学, 理学部, 准教授 (30531876) ; 片桐 秀明 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (50402764) ; 齋藤 隆之 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (60713419) ; 櫛田 淳子 東海大学, 理学部, 教授 (80366020) ; Mazin Daniel 東京大学, 宇宙線研究所, 特任准教授 (90747990)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 宇宙ガンマ線 / 宇宙線 / 大気チェレンコフ望遠鏡 / 波形GHzサンプリング回路 / 活動銀河核 / マルチメッセンジャー天文学 / 暗黒物質探索

研究実績の概要

本研究の目的は、次期ガンマ線天文台であるチェレンコフ望遠鏡大規模アレイ計画Cherenkov Telescope Array (CTA)の口径23m望遠鏡LSTの4台アレイの建設を完了し、現行MAGIC望遠鏡と合わせて、高エネルギー天体の放射・粒子加速機構や宇宙線起源の解明および暗黒物質対消滅γ線探索を行うことである。本年度、以下の成果を得た。
１、LST望遠鏡用の、光電子増倍管と波形GHzサンプリング回路からなる光検出モジュールの開発・製作を行った。（１）このモジュール265台(1855素子)からなるカメラをスペイン・ラパルマ島に建設された望遠鏡初号機の焦点面に取り付けた。2018年12月にファーストライトを迎え、大気シャワー像の観測に成功した。（２）LST望遠鏡2-4号機に搭載する、同モジュールの組立てを行った。
２、MAGIC望遠鏡によるTeV領域γ線観測のデータを解析した。（１）高エネルギーニュートリノ事象IceCube-170922Aの到来方向誤差内にある活動銀河核TXS 0506+056のγ線増光がFermi衛星で観測され、我々は、MAGICによるフォローアップ観測を行い、この天体からの超高エネルギーγ線の初検出およびγ線増光を観測した。高エネルギーニュートリノとγ線放射の相関から、活動銀河核ジェットにおける陽子加速を示唆する結果を得ることに初めて成功し、γ線放射は加速電子による逆コンプトン散乱で説明できることが分かった。（２）活動銀河核BL Lacの2015年の観測データを解析し、約30分スケールのγ線強度変動を観測し、γ線放射は２つの領域からの加速電子の逆コンプトン散乱で説明できることが分かった。（３）ペルセウス銀河団のγ線観測から、質量範囲が0.2から200 TeVの暗黒物質の崩壊寿命に対して、地上γ線望遠鏡による観測で最も厳しい下限値を与えることができた。

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

次期大気チェレンコフγ線望遠鏡であるCTA口径23m望遠鏡LSTの主焦点カメラを構成する、光電子増倍管1855本と本研究で開発した波形GHzサンプリング回路は、初号機に取り付けられ、今年度、ファーストライトを迎え、調整観測が始まった。さらに、2-4号機分を製作中であり、本研究の目的である、望遠鏡4台アレイの建設がおおむね順調に進んでいる。また、MAGIC望遠鏡によるγ線観測とIceCube実験による高エネルギーニュートリノ観測によって、活動銀河核からの高エネルギーニュートリノとガンマ線放射の相関から、活動銀河核ジェットにおける陽子の加速を示唆する事象が初めて検出され、活動銀河核の粒子加速機構および銀河系外宇宙線の起源の解明さらにマルチメッセンジャー天文学に対して顕著な進展があり、本研究のもう一つの目的である、高エネルギー天体の放射機構・粒子加速機構や宇宙線起源の解明も、おおむね順調に進んでいる。さらに、MAGIC望遠鏡による銀河団のγ線観測から、暗黒物質の崩壊寿命に対して、地上γ線望遠鏡による観測で最も厳しい下限値を与え、暗黒物質に関する研究も、おおむね順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

次期ガンマ線天文台計画CTAの口径23m望遠鏡LSTの主焦点に搭載するカメラの開発および製作を今後も続け、望遠鏡初号機に取り付けられたカメラの動作条件を調整し、かに星雲などの天体を用いた実証観測および本観測を目指しつつ、並行して、望遠鏡2-4号機のカメラを完成させ、LST望遠鏡4台アレイの建設を完了させる。また、現行MAGIC望遠鏡と稼働開始するLST望遠鏡の両方を用いて、活動銀河核や超新星残骸、パルサー星雲、ガンマ線バーストなどを観測し、高エネルギー天体の放射機構・粒子加速機構および宇宙線起源の解明を目指すとともに、高エネルギーニュートリノや重力波観測のフォローアップ観測を行い、マルチメッセンジャー天文学を推進し、対応天体の究明を目指す。また、銀河団に加えて矮小銀河や銀河中心領域を観測し、暗黒物質対消滅ガンマ線の探索を継続する。

研究成果

• [国際共同研究] IFAE/Complutense University of Madrid/University of Barcelona(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: IFAE/Complutense University of Madrid/University of Barcelona
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] MPI/Technical University of Dortmund/DESY(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: MPI/Technical University of Dortmund/DESY
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] University of Padova/INAF/University of Siena(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: University of Padova/INAF/University of Siena
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] CPPM/LAPP(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CPPM/LAPP
• [国際共同研究] University of Lodz(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: University of Lodz
• [雑誌論文] A fast, very-high-energy γ-ray flare from BL Lacertae during a period of multi-wavelength activity in June 2015 (2019)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, D.Hadasch, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, S.Tsujimoto
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 623 ページ: A175～A175
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201834010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraints on particle acceleration in SS433/W50 from MAGIC and H.E.S.S. observations (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, M.L.Ahnen, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, H.E.S.S. Collaboration
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 612 ページ: A14～A14
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201731169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A technique for estimating the absolute gain of a photomultiplier tube (2018)
  • 著者名/発表者名: M.Takahashi, Y.Inome, S.Yoshii, S.Gunji, D.Hadasch, M.Hayashida, H.Katagiri, Y.Konno, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, D.Nakajima, T.Nakamori, T.Nagayoshi, H.Ohoka, R.Orito, T.Saito, S.Sakurai, M.Teshima, Y.Terada, T.Yamamoto, T.Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 894 ページ: 1～7
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.03.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A (2018)
  • 著者名/発表者名: The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403 teams, M.G.Aartsen, D.Hadasch, M.Hayashida, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima
  • 雑誌名: Science 巻: 361 ページ: 1378～1378
  • DOI: 10.1126/science.aat1378
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Blazar TXS 0506+056 Associated with a High-energy Neutrino: Insights into Extragalactic Jets and Cosmic-Ray Acceleration (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Ansoldi, D.Hadasch, M.Hayashida, S.Inoue, Y.Iwamura, Y.Konno, H.Kubo, J.Kushida, S.Masuda, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, S.Tsujimoto, MAGIC Collaboration
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 863 ページ: L10～L10
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aad083
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the blazar S4 0954+65 at very-high-energy with the MAGIC telescopes during an exceptionally high optical state (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, M.L.Ahnen, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 617 ページ: A30～A30
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201832624
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gamma-ray flaring activity of NGC1275 in 2016-2017 measured by MAGIC (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, S.Ansoldi, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 617 ページ: A91～A91
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201832895
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The broad-band properties of the intermediate synchrotron peaked BL Lac S2 0109+22 from radio to VHE gamma-rays (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, S.Ansoldi, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, Fermi-LAT Collaboration
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 480 ページ: 879～892
  • DOI: 10.1093/mnras/sty1753
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-wavelength characterization of the blazar S5 0716+714 during an unprecedented outburst phase (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, M.L.Ahnen, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima, Fermi-LAT Collaboration
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 619 ページ: A45～A45
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201832677
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of persistent VHE gamma-ray emission from PKS 1510-089 by the MAGIC telescopes during low states between 2012 and 2017 (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, Fermi-LAT Collaboration
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 619 ページ: A159～A159
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833618
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Limits on the flux of tau neutrinos from 1 PeV to 3 EeV with the MAGIC telescopes (2018)
  • 著者名/発表者名: M.L.Ahnen, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima, MAGIC Collaboration
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 102 ページ: 77～88
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2018.05.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Periastron Observations of TeV Gamma-Ray Emission from a Binary System with a 50-year Period (2018)
  • 著者名/発表者名: A.U.Abeysekara, VERITAS Collaboration, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, MAGIC Collaboration
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 867 ページ: L19～L19
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aae70e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extreme HBL behavior of Markarian 501 during 2012 (2018)
  • 著者名/発表者名: M.L.Ahnen, D.Hadasch, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, MAGIC Collaboration
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 620 ページ: A181～A181
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833704
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining very-high-energy and optical emission from FRB 121102 with the MAGIC telescopes (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, D.Hadasch, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 481 ページ: 2479～2486
  • DOI: 10.1093/mnras/sty2422
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining dark matter lifetime with a deep gamma-ray survey of the Perseus galaxy cluster with MAGIC (2018)
  • 著者名/発表者名: V.A.Acciari, D.Hadasch, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, MAGIC Collaboration
  • 雑誌名: Physics of the Dark Universe 巻: 22 ページ: 38～47
  • DOI: 10.1016/j.dark.2018.08.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of TeV γ-ray emission from the neighbourhood of the supernova remnant G24.7+0.6 by MAGIC (2018)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, D.Hadasch, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 483 ページ: 4578～4585
  • DOI: 10.1093/mnras/sty3387
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] CTA報告150：CTA大口径望遠鏡初号機の焦点面カメラ試運転試験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野崎誠也、猪目祐介、大岡秀行、岡崎奈緒、奥村曉、折戸玲子、片桐秀明、櫛田淳子、窪秀利、郡司修一、齋藤隆之、手嶋政廣、寺田幸功、中森健之、永吉勤、西嶋恭司、山本常夏、吉田龍生、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、他CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] CTA報告147：全体報告 (2019)
  • 著者名/発表者名: 窪秀利、手嶋政廣、戸谷友則、井岡邦仁、片桐秀明、 櫛田淳子、齋藤隆之、田島宏康、中森健之、野田浩司、山本常夏、吉越貴紀、吉田龍生、Daniel Mazin、他CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] MAGIC報告66：HESS J1912+101 領域のガンマ線放射 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永吉勤、櫛田淳子、窪秀利、齋藤隆之、高橋光成、手嶋政廣、中森健之、西嶋恭司、野田浩司、増田周、Daniela Hadasch, Daniel Mazin、他MAGIC Collaboration、勝田哲、佐藤浩介、田代信、寺田幸功
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] MAGIC報告67：Boomerang パルサー風星雲と超新星残骸G106.3+2.7からの超高エネルギーガンマ線放射 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡知彦、梶原侑貴、櫛田淳子、窪秀利、齋藤隆之、高橋光成、手嶋政廣、中森健之、西嶋恭司、野崎誠也、野田浩司、増田周、Daniela Hadasch, Daniel Mazin、他MAGIC Collaboration、佐野栄俊、福井康雄
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] MAGIC報告68：BL Lac型天体S5 0716+714の超高エネルギーガンマ線フレア解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶原侑貴、岡知彦、櫛田淳子、窪秀利、齋藤隆之、高橋光成、手嶋政廣、中森健之、西嶋恭司、野崎誠也、野田浩司、増田周、Daniela Hadasch, Daniel Mazin、他MAGIC Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] CTA報告142：CTA大口径望遠鏡初号機の焦点面カメラ統合試験(II) (2018)
  • 著者名/発表者名: 砂田裕志、猪目祐介、大岡秀行、岡崎奈緒、奥村曉、折戸玲子、片桐秀明、櫛田淳子、窪秀利、郡司修一、齋藤隆之、手嶋政廣、寺田幸功、中森健之、永吉勤、西嶋恭司、山本常夏、吉田龍生、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、他CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] CTA報告139：全体報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 窪秀利、手嶋政廣、戸谷友則、井岡邦仁、片桐秀明、 櫛田淳子、齋藤隆之、田島宏康、中森健之、野田浩司、山本常夏、吉越貴紀、吉田龍生、Daniel Mazin、他CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] MAGIC報告65：ブレーザーTXS 0506+056のマルチメッセンジャー観測と高エネルギーニュートリノ放射・宇宙線加速機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上進、稲田知大、岩村由樹、櫛田淳子、窪秀利、齋藤隆之、高橋光成、辻本晋平、手嶋政廣、中森健之、永吉勤、西嶋恭司、野田浩司、林田将明、深見哲志、増田周、Daniela Hadasch, Daniel Mazin、他MAGIC Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] CTA 大口径望遠鏡初号機のカメラ最終試験報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井駿介、猪目祐介、大岡秀行、岡崎奈緒、奥村曉、折戸玲子、片桐秀明、櫛田淳子、窪秀利、郡司修一、齋藤隆之、手嶋政廣、寺田幸功、中森健之、永吉勤、西嶋恭司、山本常夏、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、他CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本天文学会 2018年秋季年会
• [備考] CTA-Japan ホームページ
  • URL: http://www.cta-observatory.jp/
• [備考] MAGIC-Japan ホームページ
  • URL: http://magic.scphys.kyoto-u.ac.jp/