研究課題
本研究の目的は、強磁場を伴う中性子星の放射過程を解明することである。そのために、中性子星の観測的研究とX線天文学の検出器開発に取り組んでいる。中性子星の観測的研究では主に、大質量X線連星 (HMXB)に着目した。HMXBは、主系列星から中性子星に物質が降着する際、強磁場の存在により、磁極付近に光学的に厚い降着円柱を形成する。X線放射のほとんどは、降着円柱内における逆コンプトン散乱の帰結だと考えられているが、その3次元構造は明らかになっていない。本研究では、代表的なHMXBのひとつであるCen X-3のX線観測衛星NuSTARのデータを解析し、そのスペクトルの時間変動から周辺の幾何学的構造や物理現象を解明することを目指している。軌道位相に沿った低エネルギーバンドのスペクトル変動が激しいことから、周辺プラズマの非一様性が明らかになりつつあり、さらなる詳しい観測データを入手するために、NuSTARにかつてのデータの10倍の観測時間の観測提案を提出した。検出器開発の分野では、硬X線偏光撮像システムの開発に取り組んでいる。10 keV以上の硬X線帯域においては、偏光撮像観測はその技術的な難しさからまだ確立されていない。本研究では、世界で初めてとなる硬X線偏光撮像観測を目指して、CMOSセンサと符号化開口マスクを用いた小型衛星用撮像システムを開発している。本年度は、大型放射光施設SPring-8における偏光ビーム照射実験を行った。CMOSセンサの読み出し系および符号化開口マスクをはじめとする光学系を制作し、広がった偏光画像を長時間にわたって照射することで、偏光撮像が実現可能であることを実証した。
2: おおむね順調に進展している
中性子星の観測的研究、X線検出器の開発の両面において、順調に進展している。中性子星の観測的研究では、大質量X線連星の観測データ解析が大きく進展した。Cen X-3で軌道位相および自転位相の両方で広帯域X線バンドのスペクトル変動を調べる研究は過去に例がなく、これまでわかっていなかった具体的な物理的な描像が明らかになりつつある。また、新たに提出した観測提案が採択されれば、Cen X-3の軌道位相2周分の観測データが取得できるため、あらゆる軌道位相と自転位相におけるスペクトルを調査することができ、強磁場が中性子星の放射に果たす役割の解明に大きく近づくことができる。検出器開発の分野では、硬X線偏光撮像システムの開発における偏光撮像のコンセプト実証が大きく進展した。特に、大型放射光施設SPring-8で行った偏光ビーム照射実験においては、偏光方向の検出と光子の到来方向の測定を同時に行うことに成功し、将来の衛星搭載に向けた検出器系の基本が完成した。符号化開口マスクを用いた光子の到来方向の測定には、これまで用いてきた相関法とよばれる基本的な再構成手法の他に、EMアルゴリズムという統計的手法を用いたより低ノイズの再構成手法を適用することにも成功しており、偏光観測の精度も向上させることに成功した。
来年度も、中性子星の観測的研究とX線検出器の開発の両方に取り組む。中性子星の観測的研究では、大質量X線連星Cen X-3のNuSTARのアーカイブデータ解析を引き続き行い、短時間のスペクトル変動の調査とその物理的解釈をまとめ、査読誌に論文を投稿する予定である。それとともに、NuSTARの観測提案が採択されれば、同様の手法で観測データを解析し、より詳細なスペクトル変動の調査を行うことで、強磁場のもとの質量降着とX線放射過程を明らかにする。Cen X-3以外のX線連星のアーカイブデータ解析も同時に進める。検出器開発の分野では、引き続き偏光撮像システムの開発に取り組むとともに、2023年に控えるXRISM衛星の打ち上げに向けて、CCD検出器のパイルアップ対策に関する研究を行う予定である。複数の光子が同一領域に入射することで1つの光子として誤検出されてしまう現象であるパイルアップは、特に明るい天体を観測する際にスペクトルの系統誤差を生み、問題となる。中性子星の中には明るい重要天体も多いため、本研究ではXRISM衛星を用いた明るい天体の観測に備えて、モンテカルロシミュレーションを活用したパイルアップデータの解析手法の開発に取り組む。すでにシミュレータの構築は完成しており、これらを過去の衛星の観測データに適用し、これらの結果を投稿論文にまとめる予定である。
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