太陽を見る新たな眼、「FOXSI-3」の軟X線データ公開

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日米共同の観測ロケット「FOXSI-3」で得られた太陽の軟X線観測データが公開された。毎秒250枚という高い時間分解能の撮像分光観測を世界で初めて行ったもので、太陽コロナについて新たな知見が得られることが期待される。

【2019年1月21日 国立天文台

太陽を取り巻くコロナは、100万度以上というきわめて高温で希薄なプラズマからなる大気だ。太陽コロナの中では様々な現象が起こっているが、代表的なものは「太陽フレア」と呼ばれる太陽系最大の爆発現象である。フレアが発生すると周囲の温度は数千万度まで上昇し、プラズマ粒子は光速近くまで加速される。この高エネルギー粒子は太陽風として地球にも飛来し、地球環境に影響を与える。

太陽コロナを研究するためには、太陽から放射されるX線をとらえる必要がある。100万~数千万度の温度を持つコロナはX線を最も強く放射するためだ。しかし、X線は地球の大気に吸収される性質があるため、観測するには気球や観測ロケット、人工衛星を使って宇宙空間に出なければならない。また、X線は通常の鏡やレンズを透過してしまうため、撮像や分光には特殊な望遠鏡やカメラが必要となる。

コロナの性質を詳細に知るためには、X線の空間分布・時間変化・エネルギー分布を知る必要がある。つまり、高いダイナミックレンジ(明るい場所も暗い場所もよく見えること)・高い空間分解能・高い時間分解能・高いエネルギー分解能の観測を実現しなければならない。これまでの太陽観測では、数百万度のプラズマが放射する「軟X線」の波長でこの4つを同時に満たすような観測は行われたことがなかった。たとえば、日本の太陽観測衛星「ようこう」や「ひので」のX線望遠鏡は、空間分解能は高いものの、1枚の画像を撮像するのにかかる時間が長すぎるため、太陽コロナで発生する数十秒〜数分という時間スケールの現象をとらえる撮像分光観測は不可能だった。

国立天文台の成影典之さんと名古屋大学の石川真之介さんは、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)やJAXA宇宙科学研究所の研究者らと共同で、裏面照射CMOSセンサーを採用して1秒間に250枚もの高速度撮影を行うことができる軟X線観測装置「PhoEnIX (Photon Energy Imager in X-rays)」を新たに開発した。昨年9月8日、研究チームはこの装置を日米共同の太陽観測ミッション「FOXSI-3」の観測ロケットに搭載し、軟X線での集光撮像分光観測(光を焦点面に集め、画像を撮り、同時に光子のエネルギー分布も得る観測)を高い時間分解能で行うことに初めて成功した(参照:太陽観測ロケット「FOXSI-3」、世界初の観測に成功)。

FOXSI-3の打ち上げから回収までの紹介動画「3rd flight of FOXSI - 7 September 2018」(提供:FOXSI-3 team、以下同)

今回公開された「FOXSI-3」の太陽観測データは、太陽からのX線光子1個1個を検出・測定した世界初の成果だ。「PhoEnIX」の高速度カメラは1枚あたり50個程度のX線光子を検出しており、このX線光子のデータを重ね合わせれば、点描のように太陽の軟X線画像を描くこともできる。

太陽コロナ全面画像
「PhoEnIX」で検出した軟X線光子をプロットして得られた太陽コロナの全面画像

また、「PhoEnIX」カメラで高速連続撮像が可能になったため、10秒というきわめて短い時間スケールでのコロナの時間変化をとらえることにも成功した。さらに、X線光子のエネルギーごとの検出数からコロナのスペクトルも得られた。

FOXSI-3が取得した軟X線集光撮像分光データの例
「FOXSI-3」の「PhoEnIX」カメラで得られた軟X線集光撮像分光データ。(a) が撮像された画像。画像上の白い点が検出されたX線光子を示す。この画像を重ね合わせることで、(b) のような太陽の軟X線画像が得られる。(c) は検出された光子の数を10秒ごとに合計して得られた軟X線の時間変化の様子。(d) は検出された光子をエネルギー(信号強度)ごとに合計して得られた軟X線スペクトル。画像クリックで拡大表示

研究チームでは今回公開されたデータを使った解析作業を現在進めており、謎の多い太陽コロナの現象について、これから続々と新たな知見が得られることが大いに期待される。

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