研究

私は高校生の時から素粒子物理実験に興味を持ち、東京大学理学部物理学科へ進学しました。その後、4年生での特別実験で櫻井研究室においてシンチレータでのMeVガンマ線計測を、相原・横山研究室においてMPPCを用いた荷電粒子計測を学びました。これらの過程で理想的な環境で物理法則を明らかにする加速器実験から、自然界で起きている高エネルギー物理現象の観測へと興味を移し、宇宙X線観測を行う牧島一夫名誉教授、中澤知洋講師 (当時) の元で研究を始めました。現在は後任の馬場彩准教授の研究室で研究活動を継続しています。

雷が轟音と閃光を放つと同時に、あるいは雷雲そのものが上空を通過する際に、数十MeVに達するガンマ線を放出することが観測されている。これは雷雲や雷放電の強電場によって電子が加速され、制動放射ガンマ線 (あるいは制動X線) を放出していると考えられ、まさに雷・雷雲は「天然の加速器」である。数十MeVというエネルギーは地球内部で自然に発生する電磁波としては最もエネルギーが高い。私は京都大学の榎戸輝揚氏、日本原子力研究開発機構の土屋晴文氏、名古屋大学の中澤知洋氏らと協力して、日本海沿岸の冬季雷からの高エネルギー現象を観測するGROWTH (Gamma-Ray Observation of Winter Thunderclouds) 実験に参加している。
雷放電そのものから放出されるガンマ線は、ガンマ線天文衛星によって宇宙から検出され、地球ガンマ線 (TGF) と呼ばれている。一方で気球実験、ロケット誘雷実験、我々GROWTH実験でも地上で雷に同期したガンマ線を検出している。2017年の我々の観測により、地上方向に放出されたTGFが大気中で光核反応を起こし、中性子、陽電子を放出していたことが明らかとなった (Enoto et al. 2017)。本成果は2017年11月にNature誌に掲載され、雷が原子核反応を起こして同位体を形成するという観点で、世界的に注目を集めた。
雷雲は時に、放電を伴わず「静かに」ガンマ線を放出することがある。このガンマ線は雷雲とともに移動し、数分から数十分継続すると考えられるが、これまでどこでどのような条件の時に発生し、どれくらい継続し、どのタイミングで消え去るのか、といったことが追いきれていない。またガンマ線と雷放電の関係、すなわちガンマ線が雷の発生を促進しているか否かも大きな論点である。そこで2015年より観測場所を金沢へと広げ、広範囲に検出器を設置する「マッピング観測」計画を始動している。このマッピング観測計画により、雷雲からのガンマ線放射のサイエンスを一網打尽にすることが目標である。
雷・雷雲からの高エネルギー現象を研究する上で、放射線観測だけではその全体像を把握できない。雷は地球上で発生する身近な現象であり、光学、音、電波、電場、気象レーダーといった様々な手法で観測することができる。私は国内外の研究者と協力し、多角的な視点から雷・雷雲の高エネルギー事象の解明に取り組んでいく。
さらに将来への計画として、TARANIS衛星に参画している。TARANIS衛星はフランスが主導する雷観測専門衛星で、TGFや高高度発光現象 (TLE) を観測し、研究に飛躍をもたらす計画である。衛星は2019年10月に打ち上げが予定されている。私はXGRE検出器の搭載機器試験を行うため2018年4月から10月までパリのAPC研究所に滞在し、衛星開発を学びながらフランス側のサポートを行う予定である。打ち上げ後もTARANISメンバーとして地上と宇宙の両方向から雷ガンマ線のサイエンスを最前線で追求する。

太陽質量の数倍程度の恒星がその生涯を終えるとき、中心部が電子の縮退圧によって支えられる白色矮星になる。白色矮星と恒星による連星系の中でも、恒星のガスがロッシュ・ローブを満たし、白色矮星へと降着する系があり、激変星と呼ばれている。白色矮星が強い磁場をもつ強磁場激変星では、降着ガスは白色矮星の磁力線に捉えられ、磁極付近に降着柱を形成して降着する。このときに白色矮星の表面付近で衝撃波が形成され、白色矮星の重力ポテンシャルに応じて降着ガスが加熱され、その温度は数十KeVへと達する。この高温の降着ガスからは数十keVまで伸びる光学的に薄い熱的放射が観測されている。
激変星は白色矮星が質量を獲得する現象であることから、白色矮星がチャンドラセカール質量を超えて爆発するIa型超新星爆発の候補天体とされる。そのため各激変星の白色矮星質量を正確に求めることで、その質量分布から本当に激変星がIa型超新星の親星となりうるのか、その割合はどれくらいなのかを知ることができる。Ia型超新星は光度が一定であることから「宇宙の灯台」とも言われるが、それを検証するためにもIa型超新星の親星を探ることはトップサイエンスである。
これまで強磁場激変星をX線衛星で観測し、スペクトルから降着柱の衝撃波における温度、すなわち白色矮星の質量を推定する研究が行われてきた。従来の光学観測のドップラー効果を用いた観測では、軌道傾斜角の不定性を受けるが、この方法はその不定性の影響を受けない。私は激変星であり2-3年に一度の光度変動を起こす矮新星GK Perseiに着目し、光度変動に伴って降着円盤の内縁半径が変化し、これまで過小評価されてきた白色矮星質量を正確に測定することに成功した。また白色矮星の磁場の推定も可能となった。私は他の強磁場矮新星にこの手法を適用し、激変星における降着円盤の影響、および連星系における白色矮星磁場の影響を評価していく。