超小型MeVガンマ線カメラの開発に成功

2019年12月9日

早稲田大学

超小型MeVガンマ線カメラの開発に成功
50kg級の小型衛星で宇宙物理「最後の窓」開拓へ

発表のポイント
■1-10MeVのガンマ線に特化した、軽量・コンパクトな高精度カメラを開発
■1.7MeV, 3.9MeV の準単色ガンマ線を用いて、実機で性能検証
■50kg級小型衛星でも巨大衛星に迫る観測が可能なことを実証

早稲田大学理工学術院の片岡 淳（かたおかじゅん）教授らの研究チームは、兵庫県立大学高度産業科学技術研究所の宮本 修治（みやもとしゅうじ）特任教授、大阪大学核物理研究センターの嶋 達志（しまたつし）准教授と共同で、1-10メガ電子ボルト (MeV) のガンマ線を高精度に可視化する、コンパクトなカメラを開発しました。さらに、兵庫県立大学高度産業科学技術研究所が運営するニュースバル放射光施設で準単色ガンマ線ビームを用いたイメージング実験に挑戦し、1.7MeVおよび3.9MeVのガンマ線を最高レベルの解像度でイメージングすることに成功しました。本装置は数キログラム（kg）と軽量のため50kg級の小型衛星にも搭載可能で、宇宙物理に残された「最後の窓」MeVガンマ線の観測にむけ、新たな切り札として期待されます。

光の仲間であるガンマ線は、波長が電子・原子のサイズに匹敵するほど短く、波ではなく粒子として振る舞います。とくに1-10 MeVのガンマ線は透過力の強さと反応の複雑さゆえ、これを直接「観る」技術は望まれつつも、いまだ確立していません。宇宙観測においては、1991年に米国NASAからコンプトン宇宙ガンマ線天文台(CGRO衛星)が打ち上げられ、ここに搭載されたコンプテル(COMPTEL) 検出器が観測に挑みました。コンプテルは高さ2.6m、重さ1,500kgに及ぶ巨大装置のため、開発や打ち上げの困難さもあり、以降30年ものあいだ観測が停滞しています。しかしながら、1-10MeVのガンマ線は励起した様々な原子核から生じ、星の内部や宇宙の元素合成を紐解く、重要な鍵が得られると期待されます。

今回、研究チームは1-10MeV観測に特化した軽量小型コンプトンカメラを独自に開発し、ニュースバル放射光施設の準単色ガンマ線ビームを用いた高精度イメージングに成功しました。これにより、同カメラを20×20cm2に拡張するだけで、コンプテルに迫る観測を簡単に実現できることを示しました。最先端科学の実証の場としての小型衛星開発は、ビッグサイエンスが主流の現代科学において突破口となる可能性を秘めています。

本研究成果は、Nature Researchが運営する英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』に２０１９年１２月６日午前１０時（現地時間）に掲載されました。

論文名： Development and performance verification of a 3-D position-sensitive Compton camera for imaging MeV gamma rays
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研究の詳細（早稲田大学ウェブサイト）： (リンク »)