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

2020 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, 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 / 大気チェレンコフ望遠鏡 / 宇宙線 / ガンマ線バースト / 中性子星 / 暗黒物質探索

研究実績の概要

本研究の目的は、次世代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、現行のガンマ線望遠鏡MAGICと合わせた観測により、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望遠鏡に搭載する、光電子増倍管(PMT)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製作・調整を行った。（１）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られた、このモジュール265台(1855素子)からなるカメラに対して、時間分解能およびデータ取得事象最大レートが要求値を満たしていることを確認した。（２）建設予定のLST望遠鏡2号機に搭載するカメラモジュールをカメラ筐体に組み上げるための準備を行った。
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）ガンマ線バースト201216Cをバーストトリガーの57秒後から、MAGICで観測し、5σ以上で検出し、電信速報を流した。（２）MAGICで検出された、ガンマ線バースト190114Cのγ線到来時間のエネルギー依存性有無を調べ、ローレンツ不変性を検証した。これまでのガンマ線バーストや活動銀河核の観測から得られた制限値にほぼ匹敵する制限を得た。（３）ガンマ線バースト160821Bをバーストトリガーの24秒後から、MAGICで約4 時間観測し、ガンマ線の検出有意度は約3σであった。（４）Geminga中性子星パルサーから、15-75 GeVのガンマ線を初めて検出することに成功した。（５）矮小楕円体銀河Triangulum IIを観測し、暗黒物質質量0.1－100 TeVでの対消滅断面積の上限値を得た。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

次世代大気チェレンコフ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サンプリング回路からなるモジュールは、初号機焦点面に取り付けられ、周期約33ミリ秒のカニパルサーからのガンマ線周期信号を検出することに成功し、LST望遠鏡の時刻付けシステムが設計通りに機能していることを確認できた。さらに、幾つかの活動銀河核を観測しガンマ線信号の検出に成功した。また、MAGIC望遠鏡との同時観測を行い、相互較正が進んでいる。昨年度に引き続き、LST望遠鏡 2-4号機分のモジュールの製作・品質管理試験を継続する予定であったが、新型コロナウィルス感染拡大防止による海外渡航制限により作業を継続できず遅れが出ており、本研究の目的である、望遠鏡4台アレイの建設が遅れている。一方、天体観測に関しては、MAGIC望遠鏡により、昨年度に続き、本年度もガンマ線バーストからの高エネルギーガンマ線の検出に成功した。このガンマ線バーストを始め、本研究で観測した活動銀河核、中性子星パルサーなどに対して顕著な観測的進展があり、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は、おおむね順調に進んでいる。また、MAGIC望遠鏡による矮小楕円体銀河のγ線観測から、暗黒物質対消滅断面積に対して、熱的残存断面積の数倍高い上限値を得て、暗黒物質に関する研究も、おおむね順調に進んでいる。以上から、遅れが出ているLST望遠鏡2-4号機の建設以外についてはおおむね順調に進んでおり、本研究全般としては、やや遅れている状況である。

今後の研究の推進方策

次世代ガンマ線天文台計画CTAの口径23m望遠鏡LSTの焦点面に搭載するカメラの製作・調整を今後も続ける。まず、観測を開始したLST初号機のカメラの調整を行いつつ、ガンマ線標準光源による性能評価観測および他天体による科学観測を進め、並行して、海外渡航制限により一部中断した、望遠鏡2-4号機カメラの製作を進め、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、矮小楕円体銀河に加えて、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] Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre (2021)
  • 著者名/発表者名: CTA Consortium, T.Bringmann, C.Eckner, A.Sokolenko, L.Yang, G.Zaharijas, A.Acharyya, H.Katagiri, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, T.Nakamori, T.Saito, M.Teshima, et al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 ページ: 057-057
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/057
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MAGIC Observations of the Nearby Short Gamma-Ray Burst GRB 160821B (2021)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, S.Inoue, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, L.Nava, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 908 ページ: 90-90
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd249
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] VHE gamma-ray detection of FSRQ QSO B1420+326 and modeling of its enhanced broadband state in 2020 (2021)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, S.Nozaki, T.Saito, J.Sitarek, M.Teshima, R.Angioni, F.D’Ammando, et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 647 ページ: A163-A163
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039687
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Study of the variable broadband emission of Markarian 501 during the most extreme Swift X-ray activity (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, J.Becerra Gonzalez, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, D.Paneque, T.Saito, M.Teshima, C.Wendel, et al., FACT Collaboration
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 637 ページ: A86-A86
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201834603
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A search for dark matter in Triangulum II with the MAGIC telescopes (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, M.Doro, J.G.Green, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, J.Palacio, T.Saito, M.Teshima, F.G.Saturni, et al.
  • 雑誌名: Physics of the Dark Universe 巻: 28 ページ: 100529-100529
  • DOI: 10.1016/j.dark.2020.100529
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband characterisation of the very intense TeV flares of the blazar 1ES 1959+650 in 2016 (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, W.Bhattacharyya, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, T.Saito, M.Takahashi, M.Teshima, et al., Fermi-LAT Collaboration, M.Hayashida
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 638 ページ: A14-A14
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201935450
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unraveling the Complex Behavior of Mrk 421 with Simultaneous X-Ray and VHE Observations during an Extreme Flaring Activity in 2013 April (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, A.Babic, T.Hassan, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, D.Paneque, T.Saito, M.Teshima, M.Petropoulou, J.Finke, et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 248 ページ: 29-29
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ab89b5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bounds on Lorentz Invariance Violation from MAGIC Observation of GRB 190114C (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, T.Saito, M.Teshima, et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 021301-021301
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.021301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Testing two-component models on very high-energy gamma-ray-emitting BL Lac objects (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, V.Fallah Ramazani, H.Kubo, J.Kushida, E.Lindfors, D.Mazin, K.Nilsson, T.Saito, M.Teshima, L.Takalo, et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 640 ページ: A132-A132
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202037811
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An intermittent extreme BL Lac: MWL study of 1ES 2344+514 in an enhanced state (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, A.Arbet Engels, H.Kubo, J.Kushida, M.Manganaro, D.Mazin, T.Saito, M.Teshima, et al., FACT Collaboration, D.Dorner, MWL Collaborators
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 496 ページ: 3912～3928
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Studying the nature of the unidentified gamma-ray source HESS J1841-055 with the MAGIC telescopes (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, H.Kubo, J.Kushida, A.Lopez-Oramas, D.Mazin, L.Saha, T.Saito, M.Teshima, et al.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 497 ページ: 3734～3745
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2135
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MAGIC observations of the diffuse γ-ray emission in the vicinity of the Galactic center (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, C.Fruck, Y.Iwamura, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, T.Saito, M.Teshima, I.Vovk, et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 642 ページ: A190-A190
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201936896
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the Geminga pulsar with MAGIC hints at a power-law tail emission beyond 15 GeV (2020)
  • 著者名/発表者名: MAGIC Collaboration, V.A.Acciari, G.Ceribella, H.Kubo, J.Kushida, M.Lopez-Moya, D.Mazin, T.Saito, T.Schweizer, M.Teshima, K.Hirotani, et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 643 ページ: L14-L14
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202039131
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] MAGIC report 77: MAGIC observations of the diffuse gamma-ray emission in the vicinity of the Galactic Centre (2021)
  • 著者名/発表者名: I.Vovk, C.Fruck, Y.Iwamura, M.Strzys, S.Fukami, D.Hadasch, T.Inada, S.Inoue, Y.Kajiwara, Y.Kobayashi, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, S.Nozaki, Y.Ohtani, T.Oka, T.Saito, S.Sakurai, M.Takahashi, M.Teshima, The MAGIC Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] MAGIC report 78: Study of the GeV to TeV morphology of the gamma Cygni SNR (G78.2+2.1) with MAGIC and Fermi-LAT (2021)
  • 著者名/発表者名: M.Strzys, G.Morlino, S.Masuda, I.Vovk, S.Fukami, D.Hadasch, T.Inada, S.Inoue, Y.Iwamura, Y.Kajiwara, Y.Kobayashi, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, S.Nozaki, Y.Ohtani, T.Oka, T.Saito, S.Sakurai, M.Takahashi, M.Teshima, The MAGIC Collaboration, S.Celli
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] CTA報告172: 全体報告 (2021)
  • 著者名/発表者名: 窪秀利、手嶋政廣、戸谷友則、井岡邦仁、齋藤隆之、田島宏康、野田浩司、吉田龍生、吉越貴紀
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] CTA 大口径望遠鏡におけるDRS4 波形記録チップのサンプリング時間幅較正 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野上優人、片桐秀明、吉田龍生、猪目祐介、大岡秀行、岡崎奈緒、小林志鳳、齋藤隆之、櫻井駿介、高橋光成、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、手嶋政廣、岡知彦、窪秀利、野崎誠也、奥村曉、折戸玲子、山本常夏、櫛田淳子、西嶋恭司、郡司修一、中森健之、佐々木寅旭、砂田裕志、立石大、寺田幸功、田中真伸、他 CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本天文学会 2021年春季年会
• [学会発表] ブレーザー1ES 1959+650 の2016 年TeV フレアの多波長観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋光成、稲田知大、岩村由樹、齋藤隆之、櫻井駿介、野田浩司、Daniela Hadasch、深見哲志、手嶋政廣、Daniel Mazin、Wrijupan Bhattacharyya、井上進、櫛田淳子、辻本晋平、西嶋恭司、窪秀利、野崎誠也、増田周、他MAGIC Collaboration、林田将明、他Fermi-LAT Collaboration
  • 学会等名: 日本天文学会 2020年秋季年会
• [学会発表] Cherenkov Telescope Array (CTA) 計画：全体報告(18) (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤隆之、手嶋政廣、戸谷友則、野田浩司、吉越貴紀、吉田龍生、井岡邦仁、窪秀利、山本常夏、田島宏康、他 CTA Consortium
  • 学会等名: 日本天文学会 2020年秋季年会
• [学会発表] CTA大口径望遠鏡に用いる光電子増倍管の性能評価および2-4号機カメラ製作の現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木寅旭、砂田裕志、立石大、寺田幸功、猪目祐介、岩村由樹、大岡秀行、岡崎奈緒、小林志鳳、齋藤隆之、櫻井駿介、高橋光成、手嶋政廣、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、岡知彦、窪秀利、野崎誠也、奥村曉、折戸玲子、片桐秀明、野上優人、吉田龍生、山本常夏、櫛田淳子、西嶋恭司、郡司修一、中森健之、田中真伸、他 CTA-Japan Consortium
  • 学会等名: 日本天文学会 2020年秋季年会
• [学会発表] MAGIC report 76: Long-term gamma-ray observations of the binary HESS J0632+057 with H.E.S.S., MAGIC and VERITAS (2020)
  • 著者名/発表者名: D.Hadasch, O.Blanch, Alicia Lopez-Oramas, N.Komin, M.Lundy, D.Malyshev, J.Moepi, S.Ohm, G.Puehlhofer, S.Schlenstedt, D.F.Torres, B.Zitzer, H.Kubo, J.Kushida, D.Mazin, K.Nishijima, K.Noda, T.Saito, M.Teshima, I.Vovk, et al., MAGIC collaboration, H.E.S.S. collaboration, VERITAS collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] CTA報告169: CTA大口径望遠鏡2-4号機焦点面カメラモジュールの組立および性能試験(II) (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋光成、猪目祐介、岩村由樹、大岡秀行、岡知彦、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、小林志鳳、齋藤隆之、櫻井駿介、砂田裕志、立石大、田中真伸、手嶋政廣、寺田幸功、中森健之、西嶋恭司、野上優人、野崎誠也、Daniela Hadasch、Daniel Mazin、山本常夏、吉田龍生、他 CTA-Japan Consortium、池野正弘
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [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/