太陽軟Ｘ線撮像分光で拓く磁気再結合・粒子加速研究の新地平：ロケット実験から衛星へ

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03724
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 成影 典之 国立天文台, SOLAR-Cプロジェクト, 助教 (50435806)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 粒子加速 / 磁気再結合 / X線撮像分光観測 / 観測ロケット実験 FOXSI-3 / 衛星計画 PhoENiX / 太陽 / フレア / コロナ

研究実績の概要

本研究は、「宇宙プラズマにおいて普遍的に起きている磁気再結合と粒子加速の理解」を目指し、太陽フレアに対する軟X線の２次元集光撮像分光観測の実現を目的としている。この観測により、X線のエネルギースペクトルを空間分解能・時間分解能を持って取得することが可能となる。つまり、太陽コロナを占めるプラズマの物理情報（温度、密度、非熱的成分の冪指数など）を、各構造毎に、時間発展を追いながら調べることが可能になる。本研究では、この観測の実現に向け、裏面照射型CMOS検出器を用いた軟X線高速度カメラを開発し、1ピクセルに複数のX線光子が入射するよりも速く読み出すことで、X線光子1個1個の情報を取得するという手法を取る。
2019年度は、日米共同の太陽X線観測ロケット実験FOXSI-3（2018年度打ち上げ）で取得に成功した、世界初の太陽コロナ軟X線・２次元集光撮像分光観測データの解析と、その観測に用いた機器の較正を実施した。機器較正結果の一部は、論文として出版した。データ解析では、活動領域中の微小なエネルギー解放現象に着目し解析を行っている。
また、将来の太陽フレア観測を目指し、2種類のCMOS検出器について検討・開発・評価を行った。1つ目は、FOXSI-3で用いたCMOS検出器の高速化とX線に対する感度・耐性の向上である。この検出器については、試作品を入手し、評価準備を行った。2つ目は、SOI技術を用いた感受層の大幅な増厚の試みで、感度・耐性の大幅な向上が期待できる。この検出器については実現可能性検討を実施し、実現可能であることを確認した。
更に、これらの検出器を用い、世界初となる太陽フレアに対する軟X線・２次元集光撮像分光観測を実現するため、観測ロケット実験計画FOXSI-4を米国NASAに対して、衛星計画PhoENiXをJAXA/宇宙科学研究所に対して、それぞれ提案した。PhoENiX計画については、学術会議のマスタープラン2020に学術大型研究計画として掲載された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

2019年度の目標は、下記の３つであった。
①FOXSI-3 に搭載した観測装置の機器較正を完了させ、FOXSI-3 で得られた世界初のデータを解析し、科学成果の創出に取り組む。
②衛星計画の実現に向け、宇宙用の軟X線・２次元撮像分光カメラシステムの開発も並行して実施する。
③FOXSI-3 の大成功をうけ、新たな日米共同観測ロケット実験計画実施の機運が高まっている。そこで、太陽フレアを観測対象とする観測ロケット実験 FOXSI-4 の立ち上げを行う。
研究実績の概要に示したように、①、②、③の目標は達成、もしくは計画通りに進捗している。
加えて、2019年10月にJAXA/宇宙科学研究所から発出された「2019（令和元）年度公募型小型計画・宇宙科学ミッションコンセプトの提案募集」に対し、磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を科学目的とした衛星計画 PhoENiX（Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region の略）を提案した。この提案は、本研究の成果（科学検討のための研究会開催・裏面照射型CMOS検出器を用いたX線用高速度カメラの開発・観測ロケット実験 FOXSI-3 の実施など）によって成し得たものであり、現時点で計画は当初計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

今後は、FOXSI-3 で得られた世界初のデータを解析し、科学成果の創出に取り組む。
また、太陽フレアを観測対象とする日米共同観測ロケット実験 FOXSI-4 の実現に向け、フレア観測用カメラシステムの開発を推進する。また、高精度X線ミラーの基礎開発など、FOXSI の観測性能向上に向けた関連開発も実施する。
一方、衛星計画 PhoENiX の実現に向け、宇宙用の軟X線・２次元撮像分光カメラシステムの開発も並行して実施する。具体的には、「CMOS検出器のX線・放射線耐性評価」を行うとともに、宇宙放射線に耐性のある部品と等価の部品を用いブレッドボードを製作し、「宇宙用のカメラの実現に向けた試作」を行う。また、定期的な研究会を開催するなど、科学検討も継続して実施する。
なお、PhoENiX 計画については、https://www.phoenix-project.science/ から情報発信を行っている。

研究成果

• [国際共同研究] ミネソタ大学/カリフォルニア大学バークレー校/NASA(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ミネソタ大学/カリフォルニア大学バークレー校/NASA
• [雑誌論文] High-speed back-illuminated CMOS sensor for photon-counting-type imaging-spectroscopy in the soft X-ray range (2020)
  • 著者名/発表者名: Narukage Noriyuki、Ishikawa Shin-nosuke、Sakao Taro、Wang Xinyang
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 950 ページ: 162974～162974
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162974
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] FOXSI-2 Solar Microflares. I. Multi-instrument Differential Emission Measure Analysis and Thermal Energies (2020)
  • 著者名/発表者名: Athiray P. S.、Vievering Juliana、Glesener Lindsay、Ishikawa Shin-nosuke、Narukage Noriyuki、Buitrago-Casas Juan Camilo、Musset Sophie、Inglis Andrew、Christe Steven、Krucker Sam、Ryan Daniel
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 891 ページ: 78～78
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7200
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ghost-ray reduction and early results from the third FOXSI sounding rocket flight (2019)
  • 著者名/発表者名: Musset Sophie、Buitrago-Casas Juan Camilo、Glesener Lindsay、Bongiorno Stephen、Courtade Sasha、Athiray P. Subramania、Vievering Juliana、Ishikawa Shin-nosuke、Narukage Noriyuki、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11118 ページ: id. 1111812
  • DOI: 10.1117/12.2530029
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画：PhoENiX (2020)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • 学会等名: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] Ｘ線微細加工によるＸ線コリメーターの研究開発２ (2020)
  • 著者名/発表者名: 山口 明啓、三枝 峻也、竹内 雅耶、内海 裕一、成影 典之
  • 学会等名: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] PhoENiXの目指すサイエンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡 光夫、深沢 泰司、成影 典之
  • 学会等名: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] PhoENiX/SXISに向けた高精度軟Ｘ線Wolterミラーの開発研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂尾 太郎、松山 智至、山田 純平、井上 陽登、波多 健太郎、山口 浩之、萩原 拓、中村 南美、山内 和人、香村 芳樹、末松 芳法、成影 典之
  • 学会等名: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] 太陽観測小規模プログラム・ロケット実験CLASP2打ち上げ成功と初期成果報告 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡本 丈典、石川 遼子、McKenzie David、Trujillo Bueno Javier、鹿野 良平、SongDonguk、Rachmeler Laurel、Auchere Frederic、吉田 正樹、都築 俊宏、浦口 史寛、篠田 一也、久保 雅仁、原 弘久、成影 典之、末松 芳法、石川 真之介、坂尾 太郎、他
  • 学会等名: 第20回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] 観測ロケット実験FOXSI-3の成果とFOXSI-4の準備状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、他FOXSIチーム
  • 学会等名: 太陽研究者連絡会シンポジウム
• [学会発表] 衛星計画PhoENiXの紹介と検討状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • 学会等名: 太陽研究者連絡会シンポジウム
• [学会発表] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画PhoENiXの進捗報告（2020年春） (2020)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ、FOXSIチーム
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] 超小型衛星を用いた太陽フレアからの熱的・非熱的放射の時間発展の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長澤 俊作、川手 朋子、成影 典之、高橋 忠幸、Amir Caspi、Tom Woods
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] Advances in the Development of Precision Wolter Mirrors for Future Observations of the Sun (2019)
  • 著者名/発表者名: Taro Sakao, Satoshi Matsuyama, Jumpei Yamada, Takato Inoue, Taku Hagiwara, Kentaro Hata, Hiroyuki Yamaguchi, Nami Nakamura, Kazuto Yamauchi, Yoshiki Kohmura, Yoshinori Suematsu, Noriyuki Narukage and Shin-nosuke Ishikawa
  • 学会等名: XOPT2019; International Conference on X-ray Optics and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、石川 真之介、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之
  • 学会等名: JpGU2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Satellite mission PhoENiX: Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (=magnetic reconnection) region (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Shin-nosuke Ishikawa, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • 学会等名: 18th RHESSI Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage
  • 学会等名: AAS Meeting 234
  • 国際学会
• [学会発表] The FOXSI-3 rocket: Overview and early results of its latest flight (2019)
  • 著者名/発表者名: Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Sasha Courtade, Juliana Vievering, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Daniel Ryan, Gregory Dalton, Shin-Nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • 学会等名: AAS Meeting 234
  • 国際学会
• [学会発表] FOXSI-2 Solar Microflares : Multi-Instrument Differential Emission Measure Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: P. S. Athiray, Lindsay Glesener, Juliana Vievering, Shin-Nosuke Ishikawa, Andrew Inglis, Noriyuki Narukage, DanielRyan, Juan Camilo Buitrago-Casas, Steven Christe, Sophie Musset, Sam Krucker
  • 学会等名: AAS Meeting 234
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region) (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Shin-nosuke Ishikawa, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • 学会等名: SPIE Optical Engineering + Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Advances in precision Wolter mirrors for future solar x-ray observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Taro Sakao et al.
  • 学会等名: SPIE Optical Engineering + Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Ghost-ray reduction and early results from the third FOXSI sounding rocket flight (2019)
  • 著者名/発表者名: Sophie Musset, Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Stephen Bongiorno, Sasha Courtade, P. S. Athiray, Juliana Vievering, Shin-nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • 学会等名: SPIE Optical Engineering + Applications
  • 国際学会
• [学会発表] PhoENiX衛星計画の概要と関連ミッション (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之 ら
  • 学会等名: 宇宙プラズマにおける粒子加速ワークショップ2019前期
• [学会発表] Satellite mission PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection) region (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage, Mituso Oka, Yasushi Fukazawa, Keiichi Matsuzaki, Shin Watanabe, Taro Sakao, Kouichi Hagino, Ikuyuki Mitsuishi, Tsunefumi Mizuno, et al.
  • 学会等名: Hinode-13/IPELS 2019 international meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画PhoENiXの進捗報告（2019年秋） (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] 太陽 X 線撮像分光観測ロケット実験 FOXSI (1) -遮光フィルター開発と FOXSI-3 の観測初期解析結果- (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 貞行、三石 郁之、加藤 渉、大西 崇文、石川 真之介、成影 典之、高棹 真介、高橋 忠幸、古川 健人、長澤 俊作、渡辺 伸、L. Glesener、Athray P.、S. Musset、J. Vievering、J. C. Buitrago-Casas、S. Krucker、S. Christe、D. Ryan
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection region) (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage and PhoENiX Working Group member and FOXSI Sounding Rocket team
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Hardware upgrades and science outcomes from the latest flights of the FOXSI rocket (2019)
  • 著者名/発表者名: Juan Camilo Buitrago-Casas, Lindsay Glesener, Sasha Courtade, Juliana Therese Vievering, P. S. Athiray, Sophie Musset, Daniel Ryan, Gregory Dalton, Shin-nosuke Ishikawa, Noriyuki Narukage, et al.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of Charge Sharing in the FOXSI Sounding Rocket Hard X-ray Detectors Using the Advanced Light Source at Berkeley (2019)
  • 著者名/発表者名: Jessie McBrayer Duncan, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Juliana Therese Vievering, Alastair A MacDowell, Lindsay Glesener, Lance Davis, Juan Camilo Buitrago-Casas, Connor O'Brien, Shin-nosuke Ishikawa, Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Noriyuki Narukage, et al.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] FOXSI-4: Instrument Upgrades for a Proposed Fourth Focusing Optics X-Ray Solar Imager Sounding Rocket Experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Juliana Therese Vievering, Lindsay Glesener, Juan Camilo Buitrago-Casas, Subramania Athiray Panchapakesan, Sophie Musset, Jessie McBrayer Duncan, Noriyuki Narukage, Daniel Ryan, Andrew R Inglis, Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Steven Christe, Sam Krucker, Paul Turin and Brian Ramsey
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] The Solar High-Resolution X-ray imager (SHRX): A Concept for a Sounding Rocket Experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Patrick R. Champey, Sabrina L Savage, Amy R Winebarger, David Broadway, Ken Kobayashi, Jacqueline Davis, Jeff Kolodziejczak, Charlie Griffith and Noriyuki Narukage
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Satellite mission: PhoENiX (Physics of Energetic and Non-thermal plasmas in the X (= magnetic reconnection region) (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之、岡 光夫、深沢 泰司、松崎 恵一、渡辺 伸、坂尾 太郎、萩野 浩一、三石 郁之、水野 恒史、篠原 育、下条 圭美、高棹 真介、田辺 博士、上野 宗孝、高橋 忠幸、高島 健、太田 方之、他PhoENiXワーキンググループ
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学連絡会タウンミーティング
• [図書] 国立天文台ニュース No. 310 2019年5月号 (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影 典之 他
  • 総ページ数: 16
  • 出版者: 国立天文台
• [図書] Space Research Today (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Narukage et al.
  • 総ページ数: 158
  • 出版者: Committee on Space Research
• [備考] 観測ロケット実験 FOXSI のホームページ（ミネソタ大学）
  • URL: http://foxsi.umn.edu/
• [備考] 日本学術会議・マスタープラン2020・重点大型研究計画に掲載された衛星計画PhoENiXの説明資料
  • URL: http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-24-t286-3-2-91.pdf
• [備考] 世界初！太陽観測ロケット実験FOXSI-3、太陽コロナからの軟X線を集光撮像分光観測することに成功！
  • URL: https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3/
• [備考] 観測ロケットFOXSI-3が軟X線太陽像を新手法で描く
  • URL: https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/foxsi-3-data-release-jp-20190115/
• [備考] 衛星計画 PhoENiX のホームページ
  • URL: https://www.phoenix-project.science/