国際宇宙ステーション搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET) 宇宙からの直接観測で3テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に初めて成功

宇宙からの直接観測で3テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に初めて成功

国際宇宙ステーション搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET)による電子スペクトル測定

早稲田大学理工学術院教授・CALET代表研究者鳥居 祥二(とりい しょうじ)、同次席研究員浅岡 陽一(あさおか よういち)国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構(JAXA)及びイタリア、米国の国際共同研究グループは、国際宇宙ステーション(ISS)・「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに搭載された宇宙線電子望遠鏡(CALET:高エネルギー電子・ガンマ線観測装置)で、これまで困難であったテラ電子ボルト領域において、3テラ電子ボルトまでの高精度エネルギースペクトルの測定に成功しました。

2015年8月に「きぼう」船外に設置され、同年10月より高エネルギーの宇宙線観測を開始したCALETは、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験を長期にわたって行っています。

高エネルギーの宇宙線がどこからきてどのように加速されたのか(=高いエネルギーを得たのか)は、まだ充分にはわかっておらず、宇宙に残された未解明の問題の一つとされています。観測対象である高エネルギーの宇宙線のうち最も重要なものの一つが電子です。しかしながら、(1) 高精度でのエネルギー測定、(2) 非常に小さい流束を検出する感度、(3) 同じエネルギーで1000倍以上となる陽子からの識別、が全て必要となることにより、これまで1テラ電子ボルトを超えるエネルギーを持つ電子を計測することが困難とされていました。従来の観測装置より高度な機能を有するCALETの検出装置「カロリメータ」は、その特徴を活用し、かつ国際宇宙ステーション搭載によって可能になる長期観測という条件を組み合わせることで、テラ電子ボルト領域にわたる高エネルギー電子スペクトルの精密測定を可能としています。

今回の観測結果は、これまで困難であった1テラ電子ボルトを超えるエネルギーをCALETが高い精度をもって直接測定出来ることを証明しました。今後、5年間の観測データを蓄積し全データを解析することで、今回の結果の約6倍の統計量を達成することができます。検出器のより深い理解による系統誤差の削減とあわせて、観測エネルギー範囲を拡大し、20テラ電子ボルトまでの全電子スペクトルをかつてない精度で測定することが目的です。これらの電子スペクトルの測定により、近傍加速源を発見し、暗黒物質の正体を解明していくことが大きく期待されています。

本研究成果は、国際学術雑誌『Physical Review Letters』オンライン版に2017年11月1日に掲載されました。

(1)これまでの研究で分かっていたこと(科学史的・歴史的な背景など)

2000年代になって、宇宙空間における宇宙線の直接観測が本格化しています。小さいながらも強力な粒子識別装置と電荷の正負を区別するスペクトロメータを備えたPAMELA衛星が先鞭をつけ、より強力かつ大きな検出器を備えたAMS-02が宇宙ステーションで観測を行っています。ガンマ線観測を主目的とするFermi衛星も、大きな検出面積を武器に荷電宇宙線の観測にも乗り出しています。特に重要な成果として、PAMELAにより発見され、AMS-02によってより高精度で追認された、”陽電子異常”が挙げられます。これは、通常の加速伝播モデルの予想に反して高いエネルギーで陽電子比が上昇するというもので、これまで想定されていなかった新たな陽電子源(一次陽電子源)の存在を示唆しています。これらの結果をもとに、その起源を議論する論文が1000篇以上出版されました。暗黒物質の対消滅もしくは崩壊、パルサー内での電子陽電子対生成とその加速等の説が議論されています。

 (2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

観測する宇宙線のうち、もっとも重要なもののひとつが電子ですが、1テラ電子ボルトを超えるエネルギーを持つ電子は、太陽系のそばで比較的最近起きた超新星爆発による加速によってしか地球に到達できないことがわかっています。その候補となる天体は3つしかないため、そのような高エネルギーの電子を高精度で観測することができれば、その加速源となる天体を直接特定することができます。その特定ができれば宇宙線の直接観測としては世界で初めてのことです。このためには、テラ電子ボルト領域での (1) 高精度エネルギー測定、(2) 非常に小さい電子流束を検出する感度、(3) 同じエネルギーで1000倍以上となる陽子からの識別、が必要となります。専用の検出器を新しく開発して宇宙から観測を行うことで、近傍の電子加速源特定を実現することが、本研究 ―CALET― の第1の目的となっています。

一方、”陽電子異常”の起源探求においては、陽電子源の最高エネルギー領域におけるスペクトル構造を捉えることが鍵となります。暗黒物質やパルサーがそれぞれ特徴的なスペクトルを示すためです。一次陽電子源においては、電子陽電子対が生成されているのが最も自然なため、CALETが測定する全電子スペクトルにも一次陽電子の起源に対応するスペクトル構造が現れると期待されます。例えばパルサーの加速限界や暗黒物質の質量に対応する高エネルギー領域に特徴的なスペクトル構造が見られるかもしれないのです。従って、高エネルギー電子(電子+陽電子;全電子)の高精度測定は、”陽電子異常”の起源探求に対しても強力な手段となります。

 (3)そのために新しく開発した手法

2015年8月に国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに設置され、同年10月より宇宙線観測を開始した宇宙線電子望遠鏡「CALET」は、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験で、2-5年の観測を予定しています。高エネルギー電子の高精度観測に最適化されたユニークな装置となっています。CALETの主となる検出装置は「カロリメータ」と言い、ここに飛び込んでくる宇宙線を捉えて観測することになります。カロリメータは、下図のように3つの層からできています。

20171102_fig1

図 1: CALETの主検出であるカロリメータ部の装置概要。上から電荷測定器(CHD)、撮像型カロリメータ(IMC)、全吸収型カロリメータ(TASC)。

図1の第1の層(CHD)では粒子の電荷を測定し、原子番号を調べます。第2の層(IMC)では、粒子が飛んできた方向を測定します。そしてもっとも厚みのある第3の層(TASC)で、宇宙線が吸収されて生じる「シャワー」の発達の様子からその宇宙線のエネルギーや種類を特定します。この3つの層から得られる情報を統合することで、その宇宙線について知るべきことがほとんどわかります。特に第三の層の厚さや使われている物質によって、どれだけ高いエネルギーの粒子まで観測することができるかが決まるのですが、CALETはとりわけここが従来の観測装置に比べて高い性能を持っています。図2は1テラ電子ボルトのエネルギーを持つ電子事象の候補です。上層から入射した粒子が検出器内で相互作用してシャワーを起こし、ほぼ全てのエネルギーが検出器によって吸収されています。これにより高いエネルギー分解能が達成でき、また得られたシャワー像を解析することで、電子観測のバックグラウンドとなる陽子を強力に除去します。

20171102_fig2

図 2:1テラ電子ボルトの電子事象候補。取得されたデータを可視化したもの。

国際宇宙ステーション搭載によって可能になる長期観測とこれらの検出器の特徴を組み合わせることで、テラ電子ボルト領域にわたる高エネルギー電子スペクトルの精密測定が可能となります。5年間の観測により、近傍加速源の発見や暗黒物質の正体に迫ることが期待されています。

(4)今回の研究で得られた結果及び知見

科学観測開始直後の2015年10月13日から2017年6月30日までのデータを用いて、CALETにより測定された全電子スペクトルを図3に示しました(赤点)。宇宙からの直接観測として初めて、3テラ電子ボルトまでの結果を得ることができました。バンド状のハッチ領域はCALETの観測に伴う現時点での系統誤差です。系統誤差とは、検出器に起因するバイアスの大きさを見積もったものです。宇宙を理解するためには、多数の観測データを縦横に使ってモデルとの整合性を議論することが必須であるため、実験間の整合性は特に重要です。今回の結果から得られた知見は以下のようにまとめられます。

  1. 1テラ電子ボルト以下で、AMS-02の測定結果と誤差の範囲でよく一致した結果が得られました。異なる測定原理による観測結果の一致は系統誤差がよく理解されていることの証左となり貴重です。
  2. これまでの宇宙からの直接観測の限界を更新しました。1から3テラ電子ボルトの領域は、電子加速源の分布によりスペクトルにカットオフが予測されている領域です。
  3. CALETの結果はまだ系統誤差を含めたエラーの範囲で有為とは言えないものの、AMS-02とは異なりスペクトルの微細構造を示唆しているように見えます。全電子スペクトルの謎は細部に宿っています。今後の観測継続と解析の深化が重要です。
20171102_fig3

図 3:CALETにより10ギガ電子ボルトから3テラ電子ボルトの範囲で測定された全電子スペクトル。横軸が宇宙線電子のエネルギーで、縦軸がそのエネルギーでの流束にエネルギーの3乗をかけたもの。スペクトルが大まかにエネルギーの-3乗に比例していることから、この形で表示することで細かな構造を調べることができる。これまでの観測のうち、宇宙空間での測定結果 (Fermi-LAT, AMS-02, PAMELA) と、地上からの間接測定結果 (HESS) を比較のため共に示した。

(5)研究の波及効果や社会的影響

CALETの観測には、国内外で多くの興味が寄せられ、特に観測項目の一つである暗黒物質は宇宙における最大の謎の一つとして、新聞雑誌だけでなくNHK BSや国際版ナショナルジオグラフィックスにおいて放映されています。このことにより、CALETの科学成果だけでなく国際宇宙ステーションにおける日本実験棟の意義が再認識されるという成果も上がってきています。

(6)今後の課題

今回の解析は、CALETの最初の宇宙線スペクトル観測結果となるため、全装置で完全に観測された条件がよいデータのみを使用しています。今後5年間の観測データを蓄積し全データを解析することで、今回の結果の約6倍の統計量を達成することができます。検出器のより深い理解による系統誤差の削減と合わせて、観測エネルギー範囲を拡大し、20テラ電子ボルトまでの全電子スペクトルをかつてない精度で測定することが目的です。電子スペクトルの測定において、新発見の可能性は細部(スペクトルの微細構造)に宿っています。これらにより近傍加速源を発見し、暗黒物質の正体に迫ることを目指しています。

(7)100字程度の概要

宇宙からの直接観測で3テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に初めて成功
国際宇宙ステーション搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET)による電子スペクトル測定

(8)用語説明

  • 宇宙線

宇宙空間は、何もないように見えますが、じつはとてもたくさんの粒子が飛んでいます。それらは原子よりもさらに小さい陽子や電子などの粒子で、宇宙空間で手をかざしたら一秒間に100個以上が手にあたるほどたくさん飛んでいます。そのような粒子を宇宙線と言います。宇宙線は約100年前に発見されて以来、常に物理学の最先端テーマでした。宇宙線の研究から、陽電子や中間子の発見など、人類の知識を大きく広げる成果があがっています。宇宙線は、太陽や天の川銀河(地球がある銀河系)など宇宙の様々な場所から飛んできます。特に高いエネルギーをもったものは、私たちが暮らす太陽系の外からはるばるやってきています。

  • 宇宙線加速

高エネルギーの宇宙線がどこからきてどのように加速されたのか(=高いエネルギーを得たのか)についてのもっとも有力な説明は、「超新星爆発」です。超新星爆発とは、質量の大きな星がその一生の最後に起こす爆発で、そのとき甚大なエネルギーが放出されます。そのエネルギーによって加速されて地球まで飛んできた粒子が高エネルギーの宇宙線だと考えられていますが、加速される詳しいメカニズムはまだわかっていません。

  • スペクトル

本稿ではすべてエネルギースペクトルの意味で用いています。横軸をエネルギー、縦軸を流束とした図をエネルギースペクトルと言います。また、スペクトルに構造があるというのは、単純なべき構造からのずれが見られるということを意味しています。

  • カットオフ

あるエネルギー以上で急激に流束が減少する場合、そのエネルギーにカットオフがあるといいます。

  • 電子ボルト

エネルギーの単位です。1ボルトの電位差を抵抗なしに通過した際に電子が得るエネルギーが1電子ボルトです。ここではその109倍のギガ電子ボルト、1012倍のテラ電子ボルトのエネルギー領域を扱っています。

(9)論文情報

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