超高エネルギーのガンマ線天体を観測する次世代望遠鏡であるチェレンコフ・テレスコープ・アレイ(CTA)大口径望遠鏡1号基が、スペインのラ・パルマ島のCTA北サイトに完成し、10月10日午後(日本時間の10日夜)の記念式典に、日本を含む各国の関係者200人以上が出席しました。式典終了後、来年4月の本格稼働を目指し、試験運転が開始されました。CTA計画は国際共同研究プロジェクトであり、ガンマ線天文学を飛躍的に推し進め、高エネルギー宇宙物理学の世界に革命をもたらすだけでなく、天文学や素粒子物理学の幅広い分野にも大きな貢献ができると見込まれています。
CTAが捉えようとしているのは、大気中に突入したガンマ線による空気シャワーが放つチェレンコフ光です。従来の観測装置では、宇宙の誕生から66億年後の宇宙しか観測できませんでしたが、感度を10倍に向上させ、観測可能なエネルギー領域を20GeV-300TeV に拡大し、宇宙誕生後16億年の若い宇宙の姿を見ることができるように計画されています。これにより、1000個を超える超高エネルギーガンマ線天体が新たに発見され、宇宙線の起源と生成機構の解明や、ブラッックホール、中性子星近くの物理現象の解明などに役立つことが期待されます。さらに最近では、質量がTeV領域にあると予測されるダークマターの発見にも大きな役割を果たすことが期待されています。
使われる望遠鏡は、観測可能なエネルギー領域が異なる大口径(直径23m)、中口径(同12m)、小口径(同4m)の三種類で、スペインのカナリー諸島ラ・パルマ島に北半球サイト、チリのパラナルに南半球サイトを整備し、大口径8基、中口径40基、小口径70基の計118基を建設する計画です。世界31カ国から1,400名を超える研究者が参加しており、日本でも2009年にCTA-Japanコンソーシアムが結成され、東京大学、青山学院大学、茨城大学、大阪大学、北里大学、京都大学、近畿大学、熊本大学、高エネルギー加速器研究機構、甲南大学、埼玉大学、東海大学、東北大学、徳島大学、名古屋大学、広島大学、宮崎大学、山形大学、山梨学院大学、理化学研究所、立教大学、早稲田大学の研究者や大学院生127名が参加しています。
大口径1号基はCTA計画で実用化される最初の望遠鏡で、日本、ドイツ、スペイン、イタリア、フランスの国際共同研究で設計・建設が行われてきました。建設は2015年10月から始まり、2017年1月にコンクリート製の土台が完成。支柱や巨大な皿状の構造、カメラを設置するためのアームなどが相次いで設置され、2018年2月にほぼ完成しました。さらに、8月までの間に198枚の分割鏡が取り付けられ、9月下旬に鏡に反射したチェレンコフ光を捉える高性能カメラも設置され、試験運転の準備が着々と進められてきました。
記念式典は現地時間の10日午後、関係者200人以上が参加し、カナリー宇宙物理学研究所(IAC)のロケ・デ・ロス・ムーチャチョス天文台内のCTA北サイトで行われ、東京大学宇宙線研究所の梶田隆章所長、CTA大口径望遠鏡研究責任者の手嶋政廣教授、東京大学の羽田正理事・副学長のほか、ラ・パルマ島のAnselmo Pestana大統領、スペイン政府のPedro Duque科学大臣らが挨拶を行いました。
宇宙線研究所 梶田隆章所長の挨拶(和訳・抜粋)
「CTAプロジェクトには、スペイン、ドイツ、イタリア、フランス、そして日本と31カ国から1400人の研究者、技術者が参加しており、国際共同研究により、高エネルギーガンマ線の観測に向けた大規模施設の建設を計画しています。とくに重要なのは、ここスペイン・カナリア諸島のラ・パルマで、CTA北半球サイトの大規模インフラを建設中だということです。多くの日本の研究者、技術者、学生らが国際共同研究の現場で重要な役割を果たし、大口径望遠鏡の建設を進めているのを目の当たりにして、私は大変嬉しく思います。ここ数年、マルチメッセンジャー天文学が提唱されており、CTAも間違いなく、ニュートリノ、重力波、宇宙線の観測とともにその重要な一角を担うことになるだろうと確信しています。それが宇宙の神秘を解き明かすことにつながるのです。
ご存知の通り、LIGO、Virgoは重力波観測で成功を収めました。東京大学宇宙線研究所も神岡鉱山でKAGRA重力波観測施設の建設を進めており、多数の施設による同時観測で宇宙物理学における重力波観測を進歩させたいと考えています。重力波とガンマ線の同時観測が間もなく実現することでしょう。
今からちょうど3年前の2015年10月9日、私はここで開かれた大口径望遠鏡の起工式に、スペイン政府国務長官(当時)のCarmen Velaさん、Rafael Rebolo教授とともに出席しました。私はこうして最初の大口径望遠鏡を拝見することができて大変幸せです。このような素晴らしく美しいCTA大口径望遠鏡を作った研究チームの方々に、心からお祝いの言葉を贈ります。とても大きく素晴らしい望遠鏡ですが、これは大規模な望遠鏡群であるCTAアレイの最初の一歩に過ぎません。数年後にこの場所に再び立ち、CTA望遠鏡が全て建設された北半球サイトの光景を見てみたいと、強く希望しています。」
宇宙線研究所 手嶋政廣教授の挨拶(和訳・抜粋)
[2005 年にHESS、MAGIC 後の究極の高エネルギーガンマ線望遠鏡をつくろうということで、現在のCTA スポークスパースンのWernerHofmann 博士、Manel Martinez 博士らとCTA プロジェクトの議論を開始しました。13 年前の話です。最初の会議は2005 年に、ドイツベルリンのマックスプランク のハーナック会議場で50-60 名の将来のガンマ線天文学の将来の発展に深い興味をもつ研究者が集まり会議が開かれました。その時はちょうど、HESS、MAGIC が動き出し、非常に興味深いデータが出始めたころでした。宇宙線の起源天体である超新星残骸、パルサー星雲、超大質量ブラックホールからのガンマ線放射がどんどん明らかになりました。
現在CTA コンソーシアムは31 の国から1400 名以上の研究者が集まり、装置開発、プロトタイプ望遠鏡の建設をすすめています。CTA-LST サブコンソーシアムは200 名以上の研究者が9カ国から集まり、このラ・パルマ、スペインの地に4基の大口径望遠鏡を建設しています。CTA 北の4基の大口径望遠鏡の予算は、フランス、ドイツ、イタリア、日本、スペインの国々の政府から強いサポートを受け、ほぼ確保しています。これらの国々の政府機関に大変深く感謝したいと思います。また、この大口径望遠鏡建設にあたっている、およそ200 名の若手研究者、エンジニアに感謝いたします。志のあるこれら若手研究者、エンジニアなくしてはこの建設は不可能です。この美しい大口径望遠鏡1 号基をご覧ください。私は個人的に大きな望遠鏡、大きな装置が好きですが、この望遠鏡は単に大きいだけではなく、いろいろなところに、例えば、光学装置、電子回路、光検出器、較正システムなどに、最先端の技術を駆使して作られました。
我々はMAGIC, HESS, VERITASから多くのことを学び、さらに改良を加えることにより、この大口径望遠鏡を開発、建設してきました。これらの改良により、我々は現在運用されている望遠鏡と比べ一桁高い感度を達成しようとしています。
本日我々は1号基の完成を祝っていますが、さらに3台の望遠鏡を3年で建設しなければなりません。これらの努力は、将来のCTA北、CTA南望遠鏡アレイへの完成へ向けての最初の第一歩を踏み出したばかりといえます。引き続き、皆様の力強いサポートの協力、努力をお願いいたします。これにより我々は非常に重要な施設を宇宙素粒子物理の科学コミュニティーに提供し、社会に重要な科学成果を還元し、多くの宇宙の謎を解明することできると確信します。」
Q&A
Q1 新しい大口径望遠鏡(LST)はどんな用途に使われるのでしょうか?
この大口径望遠鏡(LST)は、北半球、南半球の2カ所で、地上ガンマ線観測を行うCTAアレイの中では、最も大きな望遠鏡です。直径23メートル、400平方メートルの反射鏡を持つLSTは、これまでに建設されたどんなガンマ線望遠鏡よりも大きく、南半球、北半球のアレイにそれぞれ4基が配置される予定です。
LST観測のターゲットは、20GeVから3TeVまでの比較的低いエネルギーのガンマ線です。トランジェント天体(予測不可能なほど激しく活動する天体)からのガンマ線は、わずかな時間しか放出されませんが、20秒以内に向きを変える機動性も備え、銀河とさらにその遠方で起きるガンマ線の変動を捉えることができます。こうしたガンマ線の放出源は、中性子星やブラックホールの近くの極限的な物理環境と関連があると考えられます。
我々はLSTにより、ガンマ線バーストや、ある特定の種類の活動銀河核(遠くの銀河の中心にあるブラックホール)、銀河系外のトランジェント天体などのガンマ線源を調査する計画です。
Q2 CTAアレイとは何でしょうか?
CTA計画は、世界で最も強力な望遠鏡群を建設し、地上をベースとしたガンマ線天文学を飛躍的に進める大規模国際共同プロジェクトです。最も規模が大きく、これまでになく高い感度で高エネルギーガンマ線を捉えるだけではなく、高エネルギー天文学では初めて世界中の宇宙物理学者、素粒子物理学者のコミュニティに開かれた観測施設となります。世界中の科学者たちが次世代ガンマ線望遠鏡の設計概念を提案した2005年にプロジェクトがスタートし、2025年にはすべての観測施設が完成すると見込まれています。
観測施設は北半球、南半球の2カ所で、北半球サイトはスペインのラ・パルマ島にあるカナリー宇宙物理学研究所(IAC)のロケ・デ・ロス・ムーチャチョス天文台内にあり、南半球サイトはチリのアタカマ砂漠にある欧州南天天文台のパラナル観測所の近くにあります。
サイトには大口径望遠鏡(LST)の他にも、中口径望遠鏡(MST)、小口径望遠鏡(SST)を配置し、20GeVから300TeVまでの幅広いエネルギーのガンマ線を観測できるようにする計画です。北半球サイトには4基のLSTと15基のMSTが配置され、南半球サイトにはLST4基に加え、MSTが25基、SSTが70基と全種類の望遠鏡が配置される予定です。
計画には31カ国から1400人以上の科学者・技術者が参加し、CTAの開発にあたっており、多くの国から参加する会員が法人評議会を組織し、建設の計画・実行を行うCTAO gGmbHを運営しています。
Q3 科学者たちはCTAの観測で、どんな成果を期待しているのでしょうか?
地上をベースとしたガンマ線天文学は1989年から始まったばかりで歴史がまだ浅いですが、非常に大きな潜在的な可能性があります。すでに稼働しているH.E.S.S.、MGIC、そしてVERITASは、TeV領域の宇宙物理学的な観測を実証しており、すでに150以上のガンマ線天体を発見し、インパクトファクターの高い論文誌に成果を発表しています。しかし、これらはまだ氷山の一角に過ぎない可能性が極めて高いのです。
最も高いエネルギーのガンマ線に感度を持つCTAは、宇宙における最も激しい環境のいくつかで働く物理過程の解明に役立つと考えられています。CTAにより、我々の銀河系の天の川やその他の場所で、数百個に及ぶ天体を観測することになるでしょう。
・超新星爆発の残骸 (超新星残骸) 、超高密度天体が急速に回転することで生成される星雲 (パルサー星雲) は、宇宙線の起源を解明する手かがりとなる可能性があります。
・新しい連星系、すなわち二つの恒星や、一つの恒星とコンパクトな天体(中性子星やブラックホール)で構成され連星が出す、時間スケールが一定、または刻々と変化するガンマ線を測定できると考えられます。
また、銀河系より遠くにある、次のような天体を検出できると期待されています。
・ガンマ線バーストと呼ばれる、宇宙で最も明るい天体の爆発現象の初期フェーズ。
・現在のガンマ線観測体制の中でも未観測な活動銀河核(Active Galactic Nuclei, AGN)で、極めて高速のフレアが観測されるもの。
・いわゆるスターバースト銀河と呼ばれる、星の形成期にある銀河。
・ダークマターや宇宙線の加速機構の発見解明が期待される銀河団。
さらに、CTAは銀河系およびさらに遠方で起きるトランジェント天体を観測できると思われます。トランジェント天体は、大規模かつ予測不可能な形で爆発やフレアといった激しい活動を見せる天体で、高エネルギーガンマ線を放射し、宇宙で最も激しい物理現象の中性子星やブラックホールと関連があると言われています。
ガンマ線天文学のもう一つの目的は、宇宙線の起源を探ることができるということです。宇宙線はエネルギーを持った粒子が大気の外から地球に降り注ぐもので、その正体は主にヘリウム原子核や陽子です。つい最近まで、PeV の領域まで宇宙線を加速できる機構の存在は知られていませんでした。マルチメッセンジャーによる天文観測の最近の成果により、ブレーザー、すなわち特別な種類の活動銀河核(AGN)が、宇宙線の起源かも知れないという強い示唆が与えられましたが、CTAでしか解明できない謎がまだ残っています。例えば、銀河系における超新星残骸が宇宙線の起源の大部分を占めているのかどうか、などです。
ダークマター(暗黒物質)は、宇宙のエネルギー組成の約25%を占めると考えられていますが、目では見えないなど、その性質については科学における大きな謎の一つとして残っています。CTAは前例のないほどの高い観測感度により、ダークマターを発見する装置となり、未知の暗黒物質の素粒子物理学的および宇宙物理学的性質の研究に大きく貢献できる可能性があります。暗黒物質を構成する粒子は、弱い相互作用をする重い粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP)であると考えられていますが、CTAは、この粒子同士が相互作用して対消滅するときに生成されるガンマ線を検出することで、暗黒物質の発見を試みようとしています。
このWIMPの質量は、理論的に100GeVから数TeVの範囲であることが期待されています。その一方、CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC)の実験結果では、数百GeVレベルのエネルギー帯ではWIMPは見つからない見通しが得られています。また、フェルミガンマ線望遠鏡の感度も数百GeVが上限であり今のところWIMPは見つかっていないことから、300TeVまでの高エネルギーガンマ線をターゲットとするCTAは、近い将来にWIMPダークマターを発見できる有力な手段であると期待されています。
CTAによる観測されるガンマ線はまた、アインシュタインの特殊相対性理論の破れの証拠を示すことや、宇宙の中の銀河の間に広がる超虚空の正体を明かすことになるかも知れません。 もう少しCTAによる研究を詳しく見てみましょう。
Q4 LSTはどのように稼働するのでしょうか?
電磁波の中で最もエネルギーの高いガンマ線は、大気に遮断され、地表まで到達することができません。それにもかかわらず、CTAのような地上の望遠鏡でガンマ線の観測が可能になるのは、ガンマ線がチェレンコフ光を放出するからです。ガンマ線が大気と相互作用すると、空気シャワーと呼ばれる連鎖的な粒子シャワーを引き起こします。空気シャワーの中の荷電粒子は光の速さより速く進み(真空以外の環境下では可能です)、そのために非常にかすかな青い光を放出します。CTAの巨大な鏡と高感度のカメラは、ナノ秒しか光らないチェレンコフ光を集めて検出することが可能で、それゆえにガンマ線がやってくる方向にある天体現象と結びつけることができるのです。
ガンマ線の極めてわずかな痕跡の光を集めるため、LSTのプロトタイプであるLST-1は、400平方メートルの反射鏡に焦点を絞って開発を進めました。LST-1は高さが45メートル、重さが100トンもありますが、低エネルギーガンマ線からのわずかなチェレンコフ光を捉えるため、20秒以内に向きを変えることが可能で、極めて短いガンマ線フレアを記録できる可能性があります。重さが2トンのカメラは、1855個の光電子増倍管(PMT)で構成されていますが、265のモジュール部品に分割されており、メンテナンスのために簡単にアクセスできます。PMTは光センサーの一種で、光を電気信号に変換する働きをします。それぞれのモジュールからは読み出し回路を備えており、PMTから来るデータを記録する機能があります。
4.3度の視野を持つカメラは、低エネルギーガンマ線に対しても効率的な性能を備える一方で、最大限コンパクト、軽量、低コスト、省エネに設計されています。
データ収集のためのトリガー方法は、シャワーの形態とカメラに記録したチェレンコフ光の一時的な評価に基づいて行われます。光センサーからの信号は、極めて短く、小さな光を探し出すようにカスタマイズされたアルゴリズムにより、整えられ、電気信号に取り込まれます。さらに、将来すべてのLSTカメラはネットワークで結ばれ、望遠鏡群の中でオンライントリガーが可能になるように設定される予定です。さらに詳しくはこちらのページを参照してください。
Q5 LST-1を建設したのは誰ですか?
LSTプロジェクトには、ブラジル、クロアチア、フランス、ドイツ、インド、イタリア、日本、ポーランド、スペイン、スウェーデンの10カ国から、200人以上の研究者が参加しています。この国際的な取り組みのリーダーシップを取っているのは、フランスのアネシー素粒子物理学研究所(LAPP)、ドイツのマックスプランク物理学研究所、イタリアの国立核物理研究所(INFN)、東京大学宇宙線研究所(ICRR)、スペインのバルセロナ高エネルギー物理学研究所(IFAE)、エネルギー・環境・科学技術研究センター(CIEMAT)です。ラ・パルマ島に建設される3基の望遠鏡のプロトタイプであるLST-1が完成し、その設計がCTA計画の科学的な目的、運営上の必要性、安全基準などを達成できるかどうかの評価が終われば、CTA計画でサイトに建設された初めての望遠鏡となります。
Q6 CTA計画の進ちょく状況はいかがでしょうか?
CTAプロジェクトは順調に進んでいます。提案されている望遠鏡のすべてのプロトタイプはすでに完成し、サイト自体が目指す役割についての検討も進んでいます。北半球サイトの第一フェーズの詳細設計については、LSTの残り3基と中口径望遠鏡(MST)の基礎の設計および建設を含むインフラ整備が2019年半ばまでに終わり、2019年末にはオンサイトの工事が始まる予定です。南半球サイトをめぐる議論についても2019年末までには終了し、2019年初めにはサイトでの作業にかかれる予定です。
このQ&Aについて
このQ&Aは、CTAOの広報チームが作成したQ&Aを和訳し、一部に編集を加えたものです。