【名城大学】国産高解像度宇宙X線望遠鏡の開発に成功～天文学×放射光科学の融合で「激動の宇宙」を視る～

【本研究のポイント】・天文学分野と放射光科学分野の技術を融合し、国産の高解像度宇宙X線望遠鏡 注1）の開発と性能実証に成功した。・大型放射光施設SPring-8 注2）の約1km長尺ビームラインを活用し、高輝度かつ見かけ上ほぼ点光源となるX線評価システムHBX-KLAEES 注3）を構築した。・性能評価の結果、FWHM 注4） 0.7秒角 注5）、HPD 注6） 14秒角という高い解像度を達成した。・開発した望遠鏡は太陽フレア観測ロケットFOXSI-4に搭載され打ち上げられ、今後は超小型衛星や小型惑星探査機など小型飛翔体による高解像度宇宙X線観測の基盤技術となることが期待される。【研究概要】名古屋大学大学院理学研究科の三石 郁之 講師、藤井 隆登 博士前期課程学生（研究当時）、作田 皓基 博士後期課程学生 (研究当時、現 東北大学大学院理学研究科 博士)、安福 千貴 博士後期課程学生、吉田 有佑 博士後期課程学生、吉原 諒 博士前期課程学生、東京大学先端科学技術研究センター 三村 秀和 教授、夏目光学株式会社 橋爪 寛和 取締役常務、名城大学理工学部 宮田 喜久子 准教授、ならびに理化学研究所放射光科学研究センター香村 芳樹 チームリーダーらによる研究グループは、天文学分野と放射光科学分野の技術を融合し、国産の高解像度宇宙X線望遠鏡の開発に成功しました。本研究では、天文学分野において光学設計および反射鏡支持機構の設計・接着実装等の宇宙実装技術を担当し、放射光科学分野では超精密電鋳（ちゅう）法によるX線反射鏡作製と、SPring-8の長尺ビームラインを利用した高輝度無限遠点光源模擬評価システム（HBX-KLAEES）の構築が行われました。これらの技術を組み合わせて性能評価を実施した結果、FWHM 0.7秒角、HPD 14秒角という高い解像度を達成しました。開発した望遠鏡は、日米共同太陽フレア観測ロケットFOXSI-4に搭載され、打ち上げに成功しました。本成果は、超小型衛星や小型惑星探査機など小型飛翔体による高解像度宇宙X線観測の実現に向けた重要な基盤技術となることが期待されます。本研究成果は、2026年4月7日（日本時間）付で天文学分野の国際学術誌「Publications of the Astronomical Society of the Pacific」に掲載されます。【研究背景】宇宙では、太陽フレアやブラックホール周辺、超新星爆発や銀河団衝突など、物質が激しく加熱・加速される高エネルギー現象が数多く起こっています。これらの現象では数百万から数億度に達する高温プラズマや相対論的エネルギーを持つ粒子が生成され、その結果としてX線が放射されます。そのため宇宙X線観測は、超高温・超強磁場・超高密度・超強重力などが作り出す極限環境で起こる宇宙の激動を直接的に捉える重要な手段となっています。しかし宇宙から飛来するX線は地球大気によって吸収されてしまうため、地上から直接観測することはできません。そのためX線観測は、人工衛星や観測ロケットなどの飛翔体による宇宙観測によって行われます。X線天文学では、主に天体からの微弱なX線を効率よく集めるための高い集光力と、天体構造を細かく識別するための高い解像度という二つの性能が望遠鏡に求められます。しかしX線は可視光のように通常の鏡では反射せず、極めて浅い角度でのみ反射するため、X線望遠鏡にはナノメートルレベルの形状精度を持つ特殊な反射鏡が必要となります。特に高い解像度を実現するためには反射鏡の形状精度が決定的に重要であり、このような高精度反射鏡の製作と、その性能を維持しつつ宇宙環境に耐える望遠鏡として実装することは非常に難しい技術課題です。実際に、高い解像度を持つ宇宙X線望遠鏡の開発はこれまで主に欧米の研究機関が主導してきました。そのため、日本のX線天文学分野において国産の高解像度宇宙X線望遠鏡を実現することは長年の重要な挑戦課題の一つとなっていました。【研究成果】本研究では、天文学分野と放射光科学分野の技術を融合することで国産の高解像度宇宙X線望遠鏡の開発に取り組みました。天文学分野では、宇宙観測に必要な光学設計に加え、反射鏡支持機構の設計や接着実装などの宇宙実装技術を担当しました。一方、放射光科学分野では、放射光X線光学研究で培われた超精密電鋳技術によるX線反射鏡の作製と、SPring-8の長尺ビームラインを利用した高輝度無限遠点光源模擬評価システムHBX-KLAEES（High-Brilliance X-ray Kilometer-long Large-Area Expanded-beam Evaluation System）の構築が行われました。HBX-KLAEESは、高輝度X線を用いて宇宙の無限遠天体を模擬し、X線望遠鏡の性能を精密に評価するために開発された評価システムです。完成した望遠鏡（図1参照）の性能評価には、大型放射光施設SPring-8の約1 km長尺ビームラインBL29XUL（図2参照）を活用したHBX-KLAEES 図3参照）が用いられました。このシステムでは、約10 µm程度の微小X線光源を約900 m離れた位置に配置することで、天体から到来するX線に近い極めて小さな発散角と、見かけ上ほぼ点光源となる光源サイズを同時に実現しています。さらにSPring-8の高輝度放射光を利用することで、望遠鏡像の中心の鋭い構造から広い散乱成分まで、広いダイナミックレンジでの精密なPSF 注7）測定が可能となりました。このように高輝度硬X線を用いて無限遠天体を模擬し、高解像度X線望遠鏡の性能を精密に評価できる実験システムは世界的にも例がなく、HBX-KLAEESは宇宙X線光学系の性能評価のために開発された独自の研究基盤となっています。【成果の意義】この評価システムを用いたX線性能評価の結果、本望遠鏡はFWHM 0.7秒角、HPD 14秒角という高い解像度を達成（図4参照）しました。さらに、反射鏡単体の局所的なスポットスキャン測定では10秒角を下回る解像度が確認され、反射鏡自体が非常に高い光学性能を有することが示されました。この高い光学性能を維持したまま、反射鏡を支持機構へ接着実装して望遠鏡として組み上げることに成功し、宇宙観測機器として必要な構造的安定性と光学性能の両立を実現しました。これは国産の宇宙X線望遠鏡として非常に高い性能を示すものであり、約1 km離れた場所にある数ミリメートル程度の物体を識別できることに相当する鋭い視力に例えられます。本研究で開発した望遠鏡は、日米共同太陽フレア観測ロケット Focusing Optics X-ray Solar Imager 4号機（FOXSI-4） に搭載され、打ち上げに成功しました。本成果は、天文学と放射光科学という異なる分野の技術を融合することで国産の高解像度宇宙X線望遠鏡を実現したものであり、今後、超小型衛星や小型惑星探査機など小型飛翔体による高解像度宇宙X線観測の実現に向けた重要な基盤技術となることが期待されます。本研究は、名古屋大学全学技術センターの技術支援、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP20K20920、JP21KK0052、JP22H00134、JP22K18274、JP23H00156）、宇宙航空研究開発機構（JAXA）宇宙科学研究所 小規模計画、科学技術振興機構（JST）次世代研究者挑戦的研究プログラム（JPMJSP2125）、東海国立大学機構「メイク・ニュー・スタンダード次世代研究事業」、公益財団法人岩垂奨学会および服部国際奨学財団の支援を受けて実施されました。【用語説明】注1）X線望遠鏡:宇宙から届くX線を集めて天体の像を作る望遠鏡。X線は通常の鏡では反射しないため、非常に浅い角度で反射させる特殊な反射鏡を用いて観測する。注2）SPring-8:兵庫県にある世界有数の大型放射光施設。電子を高速で加速して発生させた非常に明るいX線（放射光）を用い、物質科学や生命科学など幅広い研究が行われている。注3）HBX-KLAEES:SPring-8の約1 kmの長いビームラインBL29XULを利用して構築されたX線望遠鏡評価システム。宇宙の遠方天体から届くほぼ平行な硬X線を地上で再現し、望遠鏡の性能を高精度に測定できる。注4）FWHM （Full Width at Half Maximum）:X線望遠鏡の解像度を評価する代表的な尺度の一つ。PSFの中心の鋭さを表す指標で、望遠鏡がどれだけ細かい構造を識別できるかを示す。注5）秒角 （arcsec）:天文学で用いられる角度の単位。1度の3600分の1に相当する非常に小さな角度で、望遠鏡の解像度を表す際に用いられる。例えば1秒角は、1 km離れた場所にある約5 mmの物体を識別する角度に相当する。注6）HPD （Half Power Diameter）:X線望遠鏡の解像度を評価する代表的な尺度の一つ。像に含まれるX線の50％が収まる円の直径を表し、中心付近の鋭さだけでなく外側の散乱成分の寄与も含むため、点源天体だけでなく広がった天体の観測性能を評価する際にも用いられる。注7）PSF （Point Spread Function：点像分布関数）:望遠鏡が点状の光源を観測したときに得られる像の広がりを表す分布。【関連リンク】◆高解像度宇宙X線反射鏡開発のプレスリリース： https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/upload_images/20231214_sci.pdf◆FOXSI-４搭載宇宙X線望遠鏡開発のプレスリリース： https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/upload_images/20240410_sci.pdf◆太陽X線研究グループのFOXSIのウェブサイト： https://xray-sun.jp/foxsi◆ミネソタ大学のFOXSIのウェブサイト (英語)： https://foxsi.umn.edu【論文情報】雑誌名：Publications of the Astronomical Society of the Pacific論文タイトル：Development of Electroformed X-ray Optics Bridging Synchrotron Radiation Technology and Space Astronomy著者：Ryuto Fujii（名古屋大学）, Koki Sakuta（名古屋大学）, Kazuki Ampuku（名古屋大学）, Yusuke Yoshida（名古屋大学）, Makoto Yoshihara（名古屋大学）, Ayumu Takigawa（名古屋大学）, Keitoku Yoshihira（名古屋大学）, Tetsuo Kano（名古屋大学）, Naoki Ishida（名古屋大学）, Noriyuki Narukage（国立天文台）, Keisuke Tamura（NASAゴダード宇宙飛行センター / メリーランド大学）, Kikuko Miyata（名城大学）, Gota Yamaguchi（理化学研究所）, Hidekazu Takano（理化学研究所）, Yoshiki Kohmura（理化学研究所）, Shutaro Mohri（東京大学）, Takehiro Kume（夏目光学株式会社）, Yusuke Matsuzawa（夏目光学株式会社）, Yoichi Imamura（夏目光学株式会社）, Takahiro Saito（夏目光学株式会社）, Kentaro Hiraguri（夏目光学株式会社）, Hirokazu Hashizume（夏目光学株式会社）, Hidekazu Mimura（東京大学 / 理化学研究所）, and Ikuyuki Mitsuishi（名古屋大学）*(*は責任著者) DOI: 10.1088/1538-3873/ae3b74【研究者連絡先】名古屋大学大学院理学研究科講師 三石 郁之（みついし いくゆき）TEL：052-788-6194 FAX：052-789-2919E-mail：mitsuisi@u.phys.nagoya-u.ac.jp東京大学先端科学技術研究センター教授 三村 秀和（みむら ひでかず）TEL：03-5452-5189E-mail：mimura@upm.rcast.u-tokyo.ac.jp夏目光学株式会社取締役常務 橋爪 寛和（はしづめ ひろかず）TEL：0265-27-5171 FAX：0265-27-6171E-mail：hirokazu.hashizume@natsume-optics.co.jp理化学研究所放射光科学研究センターチームリーダー 香村 芳樹（こうむら よしき）TEL：0791-58-0803（内線3823）E-mail：yoshiki.kohmura@riken.jp名城大学理工学部准教授 宮田 喜久子（みやた きくこ）TEL：052-838-2634E-mail：kmiyata@meijo-u.ac.jp【報道連絡先】名古屋大学総務部広報課TEL：052-558-9735 FAX：052-788-6272E-mail：nu_research@t.mail.nagoya-u.ac.jp東京大学先端科学技術研究センター 広報公聴・情報支援室TEL：03-5452-5424 FAX：03-5452-5398E-mail：press@rcast.u-tokyo.ac.jp夏目光学株式会社 管理本部 本田英則（ほんだ ひでのり）TEL：0265-22-2435 FAX：0265-22-2467E-mail：hidenori.honda@natsume-optics.co.jp理化学研究所 広報部 報道担当TEL：050-3495-0247E-mail：ex-press@ml.riken.jp名城大学渉外部広報課TEL：052-838-2006 FAX：052-834-9494E-mail：koho@ccml.meijo-u.ac.jp▼本件に関する問い合わせ先名城大学渉外部広報課住所：愛知県名古屋市天白区塩釜口1-501TEL：052-838-2006FAX：052-833-9494メール：koho@ccml.meijo-u.ac.jp【リリース発信元】 大学プレスセンター https://www.u-presscenter.jp/