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X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光 江副 祐一郎 首都大学東京 理工・物理 2016年1月27日(水)、合同研究会 @ 核融合研究所

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Page 1: X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光...2012/10/16  · X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光 江副 祐一郎 首都大学東京 理工・物理 2016年1月27日(水)、合同研究会

X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光

江副 祐一郎首都大学東京 理工・物理

2016年1月27日(水)、合同研究会 @ 核融合研究所

Page 2: X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光...2012/10/16  · X線天文衛星 ASTRO-H による精密分光 江副 祐一郎 首都大学東京 理工・物理 2016年1月27日(水)、合同研究会

• X線天文と ASTRO-H

• ASTRO-H による精密分光

• Beyond ASTRO-H

• まとめ

本日の内容

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• 宇宙物理の大目標:宇宙の物質・構造の起源と進化を知る

• さまざま手段(電磁波, 宇宙線, 重力波)での観測が必要

宇宙物理とX線天文学

• 宇宙の高エネルギー現象を探る

•粒子加速 (keV-TeV), プラズマ加熱

• 輝線・吸収線を使ったプラズマ診断

•化学組成, 密度, 温度, 運動

•そもそも宇宙の物質(バリオン)の約80%はX線でしか観測できない

「X線の利点」典型的に 0.3-600 keV

髪の毛座銀河団 可視光 (銀河 ~1000 個)

X線 (高温プラズマ) 暗黒物質の重力に束縛

~100万光年に分布 (Fukugita & Peebles 2004, Read & Trentham 2005 )

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•宇宙からのX線は地球大気で吸収, 飛翔体が不可欠

•日本は継続した衛星計画で世界を牽引, 活動的宇宙を明らかに

日本のX線天文衛星

EXOSAT XMM-Newton

ROSAT

Chandra Einstein

Beppo-SAX

RXTE Swift NuSTAR

Granat

1980 1990 2000 2010 (Year) 2020

Ginga

ASCA Suzaku

Hakucho

Tenma

Japan

ASTRO-H

2015

X

1970 1960

Ufuru

96 kg

216 kg

420 kg417 kg

1680 kg 2700 kg

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• 1. High Resolution Spectroscopy by a micro-calorimeter array

• Extended objects, Fe K lines

• 2. Wide-Band/High Sensitivity Observation

• 0.3-600 keV, thermal + non-thermal emissions

ASTRO-H 概要CCD

Si/CdTe Compton Camera

X-ray Telescopes

Si/CdTe ImagerMicro Calorimeter

14 m, 2700 kg Low earth orbit

550 km, 31°

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ASTRO-H collaboration国内34機関, 海外27機関, メーカー

arX

iv:1

210.

4378

v1 [

astro

-ph.

IM]

16 O

ct 2

012

The ASTRO-H X-ray Observatory

Tadayuki Takahashia, Kazuhisa Mitsudaa, Richard Kelleyb, Henri Aartsc,Felix Aharoniand, Hiroki Akamatsuc, Fumie Akimotoe, Steve Allenf, Naohisa Anabukig,Lorella Angelinib, Keith Arnaudh, Makoto Asaif, Marc Audardi, Hisamitsu Awakij,Philipp Azzarelloi, Chris Balutaa, Aya Bambak, Nobutaka Bandoa, Mark Bautzl,

Roger Blandfordf, Kevin Boyceb, Greg Brownm, Ed Cackettn, Maria Chernyakovad,Paolo Coppio, Elisa Costantinic, Jelle de Plaac, Jan-Willem den Herderc, Michael DiPirrob,

Chris Donep, Tadayasu Dotania, John Dotyq, Ken Ebisawaa, Megan Eckartb,Teruaki Enotor, Yuichiro Ezoes, Andrew Fabiann, Carlo Ferrignoi, Adam Fostert,

Ryuichi Fujimotou, Yasushi Fukazawav, Stefan Funkf, Akihiro Furuzawae,Massimiliano Galeazziw, Luigi Gallox, Poshak Gandhia, Keith Gendreaub, Kirk Gilmoref,Daniel Haasc, Yoshito Habae, Kenji Hamaguchih, Isamu Hatsukadey, Takayuki Hayashia,

Kiyoshi Hayashidag, Junko Hiragaz, Kazuyuki Hirosea, Ann Hornschemeierb,Akio Hoshinou, John Hughesaa, Una Hwangab, Ryo Iizukaac, Yoshiyuki Inouef,

Kazunori Ishibashie, Manabu Ishidaa, Kosei Ishimuraa, Yoshitaka Ishisakis, Masayuki Itoad,Naoko Iwataa, Naoko Iyomotoae, Jelle Kaastrac, Timothy Kallmanb, Tuneyoshi Kamaef,

Jun Kataokaaf, Satoru Katsudar, Hajime Kawaharas, Madoka Kawaharadaa,Nobuyuki Kawaiag, Shigeo Kawasakia, Dmitry Khangaluyana, Caroline Kilbourneb,

Masashi Kimurag, Kenzo Kinugasaah, Shunji Kitamotoai, Tetsu Kitayamaaj,Takayoshi Kohmuraak, Motohide Kokubuna, Tatsuro Kosakaal, Alex Koujelevam,

Katsuji Koyamaan, Hans Krimmb, Aya Kubotaao, Hideyo Kuniedae, Stephanie LaMassao,Philippe Laurentap, Francois Lebrunap, Maurice Leuteneggerb, Olivier Limousinap,

Michael Loewensteinb, Knox Longaq, David Lumbar, Grzegorz Madejskif,Yoshitomo Maedaa, Kazuo Makishimaz, Genevieve Marchandam, Maxim Markevitchb,Hironori Matsumotoe, Kyoko Matsushitaas, Dan McCammonat, Brian McNamaraau,Jon Millerav, Eric Millerl, Shin Mineshigean, Kenji Minesugia, Ikuyuki Mitsuishis,Takuya Miyazawae, Tsunefumi Mizunov, Hideyuki Moria, Koji Moriy, Koji Mukaib,Toshio Murakamiu, Hiroshi Murakamiai, Richard Mushotzkyh, Housei Naganoe,

Ryo Naginog, Takao Nakagawaa, Hiroshi Nakajimag, Takeshi Nakamoriaf,Kazuhiro Nakazawaz, Yoshiharu Nambaaw, Chikara Natsukaria, Yusuke Nishiokay,Masayoshi Nobukawaan, Masaharu Nomachig, Steve O’ Dellax, Hirokazu Odakaa,Hiroyuki Ogawaa, Mina Ogawaa, Keiji Ogij, Takaya Ohashis, Masanori Ohnov,

Masayuki Ohtaa, Takashi Okajimab, Atsushi Okamotoay, Tsuyoshi Okazakia, Naomi Otaaz,Masanobu Ozakia, Frits Paerelsba, Stephane Paltanii, Arvind Parmarbb, Robert Petreb,Martin Pohli, F.Scott Porterb, Brian Ramseyax, Rubens Reisav, Christopher Reynoldsh,

Helen Russellau, Samar Safi-Harbbc, Shin-ichiro Sakaia, Hiroaki Sameshimaa,Jeremy Sandersn, Goro Satoa, Rie Satoa, Yoichi Satoay, Kosuke Satoas, Makoto Sawadak,Peter Serlemitsosb, Hiromi Setaai, Yasuko Shibanoa, Maki Shidaa, Takanobu Shimadaa,

Keisuke Shinozakiay, Peter Shirronb, Aurora Simionescuf, Cynthia Simmonsb,Randall Smitht, Gary Sneidermanb, Yang Soongb, Lukasz Stawarza, Yasuharu Sugawaraac,

Hiroyuki Sugitaay, Satoshi Sugitae, Andrew Szymkowiako, Hiroyasu Tajimae,Hiromitsu Takahashiv, Shin-ichiro Takedaa, Yoh Takeia, Toru Tamagawar,Takayuki Tamuraa, Keisuke Tamurae, Takaaki Tanakaan, Yasuo Tanakaa,

Makoto Tashirobd, Yuzuru Tawarae, Yukikatsu Teradabd, Yuichi Terashimaj,Francesco Tombesib, Hiroshi Tomidaa, Yoko Tsuboiac, Masahiro Tsujimotoa,Hiroshi Tsunemig, Takeshi Tsuruan, Hiroyuki Uchidaan, Yasunobu Uchiyamaf,

Hideki Uchiyamaz, Yoshihiro Uedaan, Shiro Uenoay, Shinichiro Unobe, Meg Urryo,Eugenio Ursinow, Cor de Vriesc, Atsushi Wadaay, Shin Watanabea, Norbert Wernerf,

Nicholas Whiteb, Takahiro Yamadaa, Shinya Yamadar, Hiroya Yamaguchit,Noriko Yamasakia, Shigeo Yamauchiaz, Makoto Yamauchiy, Yoichi Yatsuag,

Daisuke Yonetokuu, Atsumasa Yoshidak Takayuki Yuasaa

aInstitute of Space and Astronautical Science (ISAS), JAXA, Kanagawa 252-5210, Japan;bNASA/Goddard Space Flight Center, Greenbert, MD 20771, USA;

cSRON Netherlands Institute for Space Research, Utrecht, the Netherlands;dDublin Institute for Advanced Studies, Dublin, Ireland; eDepartment of Physics, Nagoya

University, Nagoya 338-8570, Japan; fKavli Institute for Particle Astrophysics andCosmology, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA; gDepartment of Earth andSpace Science, Osaka University, Osaka 560-0043, Japan; hDepartment of Physics,

University of Maryland, College Park, MD 21250, USA; iUniversite de Geneve24, Geneve,Switzerland; jDepartment of Physics, Ehime University, Ehime 790-8577, Japan;kDepartment of Physics and Mathematics, Aoyama Gakuin University, Kanagawa

229-8558, Japan; lKavli Institute for Astrophysics and Space Research, MassachusettsInstitute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA; mLawrence Livermore National

Laboratory, Livermore CA, 94550, USA; nInstitute of Astronomy, Cambridge University,Cambridge,CB3 0HA, UK; oDepartment of Physics, Yale University, New Haven, CT

06520, USA; pDepartment of Physics, University of Durham, Durham City, DH1 3LE, UK;qNoqsi Aerospace, Pine, CO 80470, USA; rRIKEN, Saitama 351-0198, Japan; sDepartmentof Physics, Tokyo Metropolitan University, Tokyo 192-0397, Japan; tHarvard-Smithsonian

Center for Astrophysics, Cambridge MA 02138, USA; uFaculty of Mathematics andPhysics, Kanazawa University, Ishikawa 920-1192, Japan; vDepartment of Physical Science,Hiroshima University, Hiroshima 739-8526, Japan; wPhysics Department, University ofMiami, Coral Gables. FL 33124, USA; xDepartment of Astronomy and Physics, SaintMary’s University, Halifax, Nova Scotia, B3H 3C3, Canada; yDepartment of AppliedPhysics, University of Miyazaki, Miyazaki 889-2192, Japan; zDepartment of Physics,

University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan; aaDepartment of Physics and Astronomy,Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA; abDepartment of Physics and Astronomy,Johns Hopkins University, Baltimore, MD 21218, USA; acDepartment of Physics, ChuoUniversity, Tokyo 112-8551, Japan; adFaculty of Human Development, Kobe University,

Hyogo 657-8501, Japan; aeDepartment of Applied Quantum Physics and NuclearEngnieering, Fukuoka 819-0395 Japan; afResearch Institute for Science and Engineering,Waseda University, Tokyo 169-8555, Japan; agDepartment of Physics, Tokyo Institute of

Technology, Tokyo 152-8551, Japan; ahGunma Astronomical Observatory, Gunma377-0702, Japan; aiDepartment of Physics, Rikkyo University,Tokyo 171-8501, Japan;ajDepartment of Physics, Toho University, Chiba 274-8510, Japan; akDepartment of

Physics, Kougakuin University, Tokyo 192-0015, Japan; alSchool of Systems Engineering,Kochi University of Technology, Kochi 782-8502, Japan; amSpace Exploration Development

Space Exploration, Canadian Space Agency, Saint-Hubert QC J3Y 8Y9, Canada;anDepartment of Physics and Department of Astronomy, Kyoto University, Kyoto 606-8502,Japan; aoDepartment of Electronic Information Systems, Shibaura Institute of Technology,

Takahashi+12 SPIE

Science Meeting @ 首都大, March 2-4 2015

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• 衛星は種子島に到着, 発射台へ移動

• 2月12日(金) 17:45 (JST) H-IIA ロケットで打ち上げ予定

ASTRO-H の状況

2016年1月13日 種子島 報道公開

PI : JAXA 宇宙研 高橋先生

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• X線熱量計 : 極低温 = 高エネルギー分解能, 非分散 = 大面積 @ 0.3-10 keV

• ΔE (FWHM) <7 eV @ 5.9 keV (CCD の20倍)

• >2 keV で世界最高の分光計

• 広がった天体でもΔE 劣化なし

SXS : Soft X-ray Spectrometer

6x6 アレイ (5 mm 角 = 3分角) - 820 µm 角 HgTe 吸収体 - Si 半導体温度計 熱浴温度 50 mK

温度変化 ΔT = E/C ~ 1 mKX線光子 E~1 fJ

熱容量 C ~ 1pJ/KX線

- 重量 390 kg - 電力 570 W - X線天文衛星で 最重量・最大電力の検出器

0.95 m

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• X線CCD

• X線を electron hole pair に変換

• ΔE (FWHM) ~150 eV @ 5.9 keV• Mega pixel = imager として使用

代表的な宇宙X線分光計

ASTRO-H SXI - 4 CCD chips - 62 mm 角 = 38分角

X線望遠鏡回折格子

直接光

回折光

検出器

•回折格子

• X線の波長の違いを位置の違いに変換

• ΔE (FWHM) ~1 eV @ 1 keV, ~30 eV @ 5.9 keV• 広がった天体では ΔE が劣化

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X線エネルギー vs Resolving Power

X線エネルギー (keV)

Reso

lving

Pow

er (E

/ΔE)

回折格子(点源)

X線CCD

H-He like ion K 輝線分離

He-like triplet 分離

ASTRO-H SXS 4 eV (目標)7 eV (要求)

doppler shift (100 km/s, 100 photon)

goodHEG

MEG

LETG

RGS

プラズマ温度

プラズマ温度, 密度

プラズマ運動

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X線エネルギー vs 有効面積

0.1 1.0 10.0Energy [keV]

10-6

10-4

10-2

100

102

104

SX

S E

ffective A

rea [cm

2]

0.1 1.0 10.0Energy [keV]

10-6

10-4

10-2

100

102

104

SXS

Effe

ctiv

e Ar

ea [c

m2 ]

1 10Energy [keV]

0

100

200

300

400

SXS

Effe

ctiv

e Ar

ea [c

m2 ]

101 520.5

10

100

1000Ef

fect

ive

Area

(cm

)2

Energy (keV)

SXS

HEG

MEG

LETG

RGS 回折格子

ASTRO-H SXSgood

有効面積

(cm

2 )

X線エネルギー (keV)

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衛星試験で得られたエネルギー分解能

55Fe 線源スペクトル (Mn Kα)

Kα1

Kα2

55Fe 線源スペクトル (Mn Kα) pixel 別 エネルギー分解能

* 機械式冷凍機ノミナル運転時全ピクセル積算

* Baseline = 電気・熱雑音で決まる分解能 signal が来ていない baseline から計算

FWHM 4.53 eV !

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X線カロリメータによる超精密分光

O

Fe-L Ne Mg

Si

S

ArCa

Ar

S

Ca

Si

Mg

O

Fe-LNe

Ni

Cou

nts

s-1 k

eV-1

Centaurus cluster

30

HPD

6x6 SXS pixels

Chandra image

Z = 0.0114(3420 km/sec)

CCDResponse

He-like Fe K

Cou

nts

s-1 k

eV-1

Figure 3. SXS pixel format and half power circle of the SXS X-ray telescope point spread function overlaid on the X-rayimage of Centaurus cluster central region observed with Chandra5 (top left) and simulated SXS energy spectra of thecluster. The spectrum plotted with a broken line is for a typical X-ray CCD resolution and is multiplied by a factor of 3for display purpose. (Color on-line)

liquid Helium. The 4He Joule-Thomson (JT) cooler which is pre-cooled by two sets of double stage Stirling-Cyclecoolers (2ST-PCa and 2ST-PCb), and two shield cooler (2ST-SCa and 2ST-SCb) provide thermal shields for theliquid He. The ADR and the cryo-cooelrs are controlled by four cooler driver electronics.

Analog signal from the DA is amplified and digitized by the X-ray processing box (Xbox). The digitized datastream is sent to the Pulse Shape Processor (PSP), where X-ray events are detected and their pulse heights aredetermined by applying the optimum digital filtering algorithm. The PSP will also format the science and housekeeping data into telemetry packets and send them to the spacecraft data-handling system. The PSP consistsof the Mission Input/output (MIO) boards and Space Card boards, both of which are commonly used in otherscience instruments of ASTRO-H . Hardware logic constructed in a FPGA (Field Programmable Gate Array)on the MIO board will detect X-ray events from the digitized data stream, and the software running on a CPUon the Space Card board will perform optimum digital filtering and telemetry formatting.

The Power Supply Unit (PSU) provides extremely low-noise regulated power to the Xbox. It will also providea sync signal to the ADR control (ADRC) so that the switching pulses of all the DC-DC converters in the PSUand in the ADRC are synchronized with one another, which will reduce any beat frequency noises.

The filter wheel Mechanism (FWM) is mounted at a distance of 90 cm from the detector on the lower panel ofthe fixed optical bench of the spacecraft. The FWM has six filter positions including open. The choice of filtersare not determined yet, but at least we will have a Be filter to cut low-energy X-rays, a neutral density filter toreduce X-ray flux without modifying energy spectrum, and an optical blocking filter to observe optically brightobjects. The Be filter will also be employed to protect the detector and optical blocking filters inside the Dewar

3’

ケンタウルス座銀河団 (X線画像, Chandra)

- 世界初 広がった天体の超精密分光 - 重元素からの輝線の分離 - 輝線プロファイルの検証 (Fe K …)

Mitsuda+10

ASTRO-H SXS simulation

Fe

Fe

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銀河団のガスダイナミクス

bulk motion (line shift) ? 乱流運動 (line broadening) ?

• 銀河団 : 107-8 K 高温ガス, 宇宙のバリオンの~20%

• ガスの total energy = 非熱的運動: 銀河団の質量推定に影響 → 宇宙論パラメータ (ダークマター, ダークエネルギー等) 推定 1'=22kpc

Perseus 銀河団 (Chandra)

ASTRO-H White paper

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• 巨大ブラックホール:105-10 Msun, 銀河中心, 降着物質からX線 • 存在頻度は低光度のものほど近傍

•「 ダウンサイジング」, 理論的に未解明 • ガスに埋もれたブラックホール ? : Fe K 輝線で探査

ガスに埋もれたブラックホールの探査

Ueda+07z (赤方偏位)

存在頻度

(Mpc

-3)

遠方

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• 太陽風・磁気圏イオンと惑星・彗星の希薄で広がった大気 • 輝線分布で区別:禁制線が強い, large n からの輝線が強い, n の target 依存性 • 粒子加速 (輝線幅, シフト), 大気組成 (輝線比)の新たな探査手段

太陽系天体からの電荷交換X線 (CX)

地球外圏CX simulation

Ezoe+13

地球磁気圏

the range 0.4–0.5 keV and solar abundances, after includ-ing additional Mg10+ and Si12+emission (at 1.35 and1.86 keV, respectively): the presence of these lines in thespectrum is a likely consequence of solar activity, which weknow was enhanced over the October–November 2003period. The XMM-Newton spectral data, then, appear togive support to the view that Jupiter’s low-latitude diskX-rays are scattered solar radiation (Branduardi-Raymontet al., 2006b,c). Similar results showing the disk emission tobe harder than the auroral emission, were reached from the

February 2003 Chandra ACIS-S observation of the planet(Bhardwaj et al., 2004; Bhardwaj et al., 2006). TheseChandra observations also appear to confirm a correlation(originally found by ROSAT) between regions of lowmagnetic field strength and somewhat higher soft X-raycount rate, suggesting the possible existence of a secondarycomponent in addition to the scattered solar X-ray flux.Unlike the auroral X-ray emission, X-ray emission fromJupiter’s disk does not show any variability on timescalesfrom 10 to 100min.The conclusions derived from spectral studies of Jupiter

are strengthened by the observation, again in November2003 by XMM-Newton, of similar day-to-day variability inthe solar and Jovian equatorial X-ray fluxes. A large solarX-ray flare occurring on the Jupiter-facing side of the Sunis found to have a corresponding feature in Jupiter’s diskX-ray lightcurve (see Fig. 30, taken from Bhardwaj et al.,2005a). This finding lends support to the view that indeedJupiter’s low latitude X-rays are largely scattered radiationof solar origin. Recent calculations of the effects of albedo(Cravens et al., 2006) are consistent with the observedfluxes, under the hypothesis that scattering, elastic andfluorescent, is at the origin of the observed emission. Theseresults, however, do not rule out the presence of othersource(s) of low-latitude X-ray emission, e.g., precipitationof energetic S and O ions from Jupiter’s radiation belts,especially into regions of low magnetic field (Bhardwajet al., 2006).

9. Saturn

By analogy with Jupiter, X-ray emission from Saturnmight be expected since it possesses a magnetosphere with

ARTICLE IN PRESS

Fig. 28. Jovian X-ray morphology first obtained with Chandra HRC-I on18 December 2000, showing bright X-ray emission from the polar‘auroral’ spots, indicating the high-latitude position of the emissions,and a uniform distribution from the low-latitude ‘disk’ regions (fromGladstone et al., 2002).

Fig. 29. Combined XMM-Newton EPIC spectra from the November 2003 observation of Jupiter. Data points for the North and South aurorae are inblack and red, respectively. In green is the spectrum of the low-latitude disk emission. Differences in spectral shape between the aurorae and the diskemission are very clear (see text for details) (from Branduardi-Raymont et al., 2007).

A. Bhardwaj et al. / Planetary and Space Science 55 (2007) 1135–11891160

木星オーロラ

Gladstone+02

718 K. Dennerl et al.: High resolution X-ray spectroscopy of Mars

Fig. 8. a) Superposition of the RGS images in Fig. 7, each centered on the wavelength/energy of an individual emission line, with ionizedoxygen coded in blue, ionized carbon coded in green, and fluorescence coded in yellow and red. The circle indicates the position and size ofMars; the projected direction of the Sun is towards the left. As the roll angle of the satellite was adjusted for each of the 12 individual pointingsin order to minimize the motion of Mars along cross dispersion direction, the position of the Sun with respect to dispersion direction waschanging monotonically. Solar directions are labeled for the first and last pointing (cf. Table 1). b) Same as a), but after applying an additionaltransformation individually to all photons (rotation around the circle at center) so that the projected direction to the Sun is in all cases exactlyat left (horizontal arrow). The direction of increasing right ascension (“E”) and declination (“N”) are given at upper left. The sphere at lowerleft provides details about the observing geometry: the grid shows areographic coordinates, with blue lines for the southern hemisphere (top)and red lines for the northern hemisphere (bottom). The bright part of the sphere is the sunlit side of Mars. A green arrow indicates its directionof motion, as seen from a stationary point at the position of the Earth. The yellow arrow illustrates the velocity of solar wind particles, emittedradially from the Sun with 400 km s−1 with respect to Mars.

– In the morphological interpretation (cf. Fig. 8b), we see anemission region which is most prominent above the poles,but somewhat tilted away from the Sun. This general ap-pearance may be a consequence of the phase angle at whichMars was observed: if the X-ray emission originates pref-erentially at the sunward side of the Martian halo, then weshould see a crescent-like structure when observing it at aphase angle of 41.◦2. This was the result of numerical sim-ulations (Holmström et al. 2001, Plate 1), which predicteda crescent-like structure that resembles (on a smaller scale)the observed emission in ionized carbon (Fig. 7f). The factthat (i) the emission of ionized carbon extends far abovethe poles and that (ii) the emission of ionized oxygen emis-sion is observed to occur almost exclusively above the polescould be understood as evidence for an asymmetric densitystructure in the Martian exosphere, which would be muchdenser above the poles and towards the night side than to-wards the Sun.

A straightforward distinction between these two cases wouldbe possible by comparing the negative and positive spectral or-ders: if the tilt was a spectral effect, then the images at negativeand positive spectral orders would be mirrored, while in thecase of a morphological effect, the tilt would be oriented in thesame way in both orders. Unfortunately, this method cannot be

applied here, because RGS works only at negative orders andbecause both RGS 1 and RGS 2 are oriented in the same way.

The only possibility to distinguish, on a purely observa-tional basis, between these two cases is to utilize the variabledirection to the Sun caused by changes of the satellite roll an-gle (Table 1). The lines left of Mars in Fig. 8a illustrate thisdirection for the 12 pointings. In Fig. 9, we show the O6f im-age accumulated during the first three pointings, where the so-lar direction exhibited the largest deviation from the cross dis-persion direction. Despite the low number of photons, there isevidence for a tilt against the cross dispersion direction, ap-proximately the amount expected for an emission morphologydirected along the Sun-Mars vector. This could be consideredas evidence in favor of the morphological interpretation.

Under the assumption that the cause of the tilt of the emis-sion region is mainly morphological, an improved, sharper im-age can be obtained by applying to each photon an additionalrotation around the center of Mars according to the instan-taneous orientation of the detector with respect to the Sun.Figure 8b takes this additional rotation into account. A com-parison between Figs. 8a and 8b shows that the differences be-tween both images are subtle. This demonstrates that there islittle dependence on the assumptions made. It is well possiblethat we see a superposition of both effects.

火星外圏

Dennerl+04

→ 地上実験との比較, 太陽系外天体へ

e.g., O7+ + H → O6+ + H+ + hν

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• 超流動 He (1.2 K) 30 L : 設計要求 寿命 5 yr => 平均排気量 28 µg/s

• 1. 気体・液体 He の相分離 = Porous Plug (PP)

• 2. 壁面を伝わる film flow の抑制 <2 µg/s = knife edge device 等

超流動 He 排気系

He tank

侵入熱, He が PP 下流で蒸発 → PP 下流が低温 → 液体 He は PP 上流へ

焼結ステンレス Φ8.9 mm, t6.3 mm

原子レベルに鋭い edge → 表面張力で stop

10 nm

50 nm

Si (110) plane

Si (111) plane

Si chip, 10 mm 角 (大学院生とインハウス製作)

Ishikawa+10 Ezoe+15

液体 He を用いた宇宙ミッションで世界最小

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• PI 大橋 : ASTRO-H の次を狙う, 広視野X線カロリメータミッション

• 16x16 pixel, <5 eV (FWHM) @ 0.6 keV, 50分角

• SΩ=100 cm2 deg2, ASTRO-H の~100倍

• missing baryon の探査 (全バリオンの ~20-30 %)

DIOS : beyond ASTRO-H

衛星外観図 -軌道上コンフィグレーション-

Z�

Y�X�

Z�

Y�X�

12&m�

図 5: DIOS衛星の外観図。2014年度の検討でバスと観測系を一体設計とし,従来デザインよりコンパクトになっている。但しX線望遠鏡は焦点距離 70 cmの従来モデル。衛星重量は 697 kg、平均消費電力は約 760 W。

2.4 開発チーム

衛星システム全体: DIOSはプロマネ、PI分離体制で進めることを考える。プロマネは JAXA一般職 (研究者でない)で、衛星マネージメントに実績のある方にお願いし、PIは大橋、その定年後は石崎が責任担当する。主たる担当メーカーとしてはバスを含めた衛星全体としては三菱電機を考えている。冷却系の担当メーカーは住友重機械を考えているが、室温での熱と電子回路系を含むミッション系全体のとりまとめ担当として NECにその上位にはいってもらうことを想定する。その上でミッション系とバス系はクリアーインターフェスとして、サイエンティストはミッション系にできる限り注力できるような開発スタイルをとることを考える。具体的には、まず、プロマネの下にサブマネとシステムマネージャーを置く。サブマネは JAXA一般職とする。システムマネージャーは ISAS工学系の教育職をまずは想定するが、(適切な方がいれば)JAXA一般職でもよい。次に,ASTRO-Hシステムの深い経験を積んだ研究者を ISAS内でミッションマネージャーとして想定する (個人名は未定)。システムマネージャーの下には,JAXAつくばを含めたエンジニアが(一部はマトリックスにより)はいり、プロジェクトにかかわる専門技術をエンジニアの立場からサポートする。システムマネージャー配下のエンジニアの担当範囲は、衛星システムあるいは衛星バスだけではなく、ミッション系の様々な技術に衛星プロジェクト内マトリックス的にかかわってもらう想定である。一方,ミッションマネージャーの下には、ミッション系を、4回反射X線望遠鏡、TESカロリメータ(信号処理系を含む)、冷却系の 3つのコンポーネントに分け、それぞれの責任者が設定される。これらの責任者は以下で述べる。PIはプロマネの上にたち、プロジェクトの全責任を負う。なお、山崎はAthenaのX-IFU Consortium Boardに参加する予定のため、DIOSの PI/プロマネレベルは担当できない。ただし、Athena冷却系DMの同一品をDIOSへ搭載する上での連携作業では、主要な役割を担ってもらうと考えている。

4回反射X線望遠鏡: 名古屋大学が責任担当。現責任者の田原が 2年後に定年退職になるので、三石が責任者となり、望遠鏡開発を主導する。なお松本以下、名大チームは全面的に 4回反射望遠鏡の開発をサポートし、宇宙研からも、すでにビームライン実験等でサポートをいただいている。まだ非公式だが、NASA/GSFC岡島氏から名古屋大へ打診があり、ミラーの製作段階での協力を得られる可能性があり、その検討のためにミラーの金型を GSFCへ提供する準備をしている。

8

重量 690 kg, 電力 700 W

Yoshikawa+01

銀河暗黒物質

銀河団 107-8 K

missing baryon 105-7 K

MHI4inchL8W2‐256‐1(吸収体無)再評価

Linearty補正関数 Baseline 分解能 MnKα 分解能(補正済み)

2008 データ長 10k バンド幅 500 kHz

2009 データ長 100k バンド幅 40 kHz

動作点5000 mVでのノイズスペクトル

2009/4/8 4カロリメータグループミーティング

ΔE = 4.4 eV @ 5.9 keV達成!!

吸収体がないので、熱容量が小さく、PHが大きくなり、S/N 改善Excess Phonon はLine noise を分解できていなかったことが原因ではないか?Excess Johnson  のような盛り上がりが確認できる

3 cm

1 cm

Ezoe+09, 15 log R

log T

常伝導状態

超伝導状態

遷移端 幅~数 mK

α~100-1000

超伝導薄膜温度計 X線カロリアレイ

2022年頃を目指し提案予定

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• ORBIS 衛星 (PI 佐原) : 巨大ブラックホール連星の検出

• 超軽量X線望遠鏡 & SDD で同一天体を年観測

超小型衛星 (50-100 kg)

���

重量~10 g, 従来より1-3桁軽量

• GEO-X pathfinder 衛星 (PI 江副) : 地球磁気圏のX線撮像

• 超軽量X線望遠鏡 & DepFET で月付近の軌道から観測

Ezoe+10

���

����

Figure 2. Process flow of MEMS X-ray optics.

Table 1. Development items reported in this paper and their correspondence to each process step shown in figure 2.

process step 1 2 3 4 5§3. single-stage optics

√ √ √

§4. coating of a heavy metal√ √ √

§5. Wolter type-I optics√ √ √

This method hold many advantages over the traditional mirrors and the other micro pore optics. The maturedphotolithography technology allows accurately-arranged micro pores with a width of a few tens µm. High aspectratio more than 10 is possible. The stiffness of silicon and nickel micro structures enables a large open area ratiomore than 10 %. Consequently, the mass to area ratio shown in figure 1 can be extremely small, ∼1 kg for 1000cm2. Also, a large, more than 4 inch in diameter, single-piece optic can be fabricated by use of a commerciallyavailable large wafer. A short focal length optic of <1 m is possible without degradation of angular resolutiondue to the negligible conical approximation. Assuming that the side walls of the micro pores are flat and themirror arrangement is perfect, a theoretical limit on the angular resolution arises from X-ray diffraction within anarrow micro pore. If the pore width d is 20 µm and the X-ray wavelength λ is 1.24 nm (1 keV), the theoreticallimit is represented as ∼ λ/d ∼13 arcsec. Our final goal is this X-ray diffraction limited micro pore X-ray optics.

We started our development of this novel method with miniature optics (7.5×7.5 mm2) made of silicon and

微細穴側壁での全反射を利用

X線

超小型で大型に比するユニークサイエンスを実施 将来の精密分光にも使える超軽量X線望遠鏡

���

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• X線天文衛星 ASTRO-H, 2月に打ち上げ予定

• X線カロリメータによる超精密分光の時代が来る

• 広がった天体, 点源からの Fe K, … 遠くから近くまで : 銀河団, ブラックホール, 太陽系天体 …

• ASTRO-H の次も見据え, 開発を進めている

• DIOS, 広視野X線カロリメータ

• ORBIS, GEO-X pathfinder, 超軽量望遠鏡

• 輝線に関連する物理プロセスの理解とモデル化が必要, 原子分子の方々との協力が, ますます重要に => よろしくお願いします。

まとめ

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• ASTRO-H team members

• SXS team

• Science Working Group ほか

• DIOS team members

• TES calorimeter team ほか

•ORBIS, GEO-X team members

• MEMS X-ray optics team ほか

• 本研究会

謝辞