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X線分光撮像衛星(XRISM: X-ray Imaging and Spectroscopy Mission)は、JAXAが主導するNASAとJAXAの共同ミッションである。このX線宇宙望遠鏡は、2023年9月6日に地球低軌道上でミッションを開始した。科学運用が開始されるのは今年後半だが、衛星の科学チームは望遠鏡の最初の画像をいくつか公開している。

XRISMはその場しのぎの望遠鏡である。既存のX線観測衛星であるXMMニュートンとチャンドラは老朽化が進んでおり、そのミッションは間もなく終了する。その後継となる欧州の高エネルギー天体物理学望遠鏡(ATHENA)は2035年まで打ち上げられず、X線望遠鏡がカバーできない空白の数年間が残る。日本のX線天文衛星「ひとみ」は、XMM-Newtonチャンドラの後継となる予定だったが、打ち上げ後数週間で失敗した。

XRISMは補填ミッションとして意図されているとはいえ、非常に強力で、しっかりとした科学観測を提供するだろう。

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターでXRISMの主任研究員を務めるRichard Kelley氏は、「XRISMは、国際的な科学コミュニティに、隠されたX線天空の新たな一面を提供するでしょう。我々はこれらの天体のX線画像を見るだけでなく、その組成、運動、物理的状態を研究します」と、述べている。

望遠鏡からの新しい画像は、この “その場しのぎ”の天文台がいかに強力であるかを示している。

XRISMには2つの観測装置がある:ResolveとXtendである。Resolveはマイクロカロリーメーター分光計で、絶対零度よりかろうじて高い温度に保たれた極低温装置である。光子が当たると、そのエネルギーに応じた量だけ検出器が温められる。「個々のX線のエネルギーを測定することで、この装置はこれまで入手できなかったX線源の情報を提供します」とNASAは説明する。

Xtendは、失敗した「ひとみ」天文台に搭載された前モデルよりも高い解像度を持つX線CCDカメラである。

XRISMの最初の画像は、N132Dと呼ばれる大マゼラン星雲の超新星残骸(SNR)である。光ではほとんど見えないが、X線では明るい。XRISMは分光器で、N132Dの最も詳細なX線スペクトルを作成した。

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XRISMによるN132のX線スペクトルから、ケイ素、硫黄、アルゴン、カルシウム、鉄の存在が明らかになった。数字は、それぞれのピークを生成するのに必要な、失われた電子の数、すなわちイオン化状態を示している。これらの元素はレムナントの始祖星で生まれ、超新星爆発によって宇宙空間に放出された。(Credit: JAXA/NASA/XRISM Resolve and Xtend)

始祖星は太陽の約15倍の質量を持ち、水素が枯渇して自壊したときに爆発した。その残骸である超新星残骸は約3000年前のもので、今も膨張を続けている。これらの残骸は、銀河系全体に重元素を拡散し、星間物質を加熱し、宇宙線を加速させるので重要である。その衝撃波は近くのガスを圧縮し、新しい星形成の引き金にもなる。

ゴダードのNASA XRISMプロジェクトの研究員であるBrian Williamsは、XRISMがどのようにSNRの理解に役立つかを説明した。

「これらの元素は元の星で作られ、その後超新星として爆発したときに吹き飛ばされました。Resolveによって、これまで不可能だった方法でこれらの線の形を見ることができ、存在する様々な元素の存在量だけでなく、その温度、密度、運動方向をかつてない精度で決定することができます。そこから、元の星と爆発に関する情報をつなぎ合わせることができるのです」。

天体の化学組成を測定することは天体物理学において重要であり、XRISMはその作業において予想以上に優れていることを証明している。

NASAのゴダードXRISMプロジェクト・マネージャーであるLillian Reichenthal氏は、「Resolveは、試運転が終了する前から、すでに我々の期待を超えています。我々の目標は、この装置で7電子ボルトのスペクトル分解能を達成することでしたが、軌道に乗った今、5電子ボルトを達成しています。このことは、XRISMがとらえた各スペクトルから、さらに詳細な化学マップが得られることを意味しています」と、説明する。

XRISMのX線イメージャであるXtendは、観測において重要な役割を果たしている。Xtendは視野が広いため、満月の約60%の大きさの領域を観測することができる。科学チームは、頻繁に研究対象となっている近傍の銀河団Abell 2319のX線画像を公開した。

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XRISMのXtend装置は、Abell 2319銀河団をX線でとらえた。背景は、この領域を可視光で示した地上の画像。ピンク色は、数百万度に加熱された星団を透過するガスからのX線光である。XRISMでこれを測定することで、銀河団全体の質量を測定することができる。(Credit: JAXA/NASA/XRISM Xtend; background, DSS)

画像の紫色は、何十億年にもわたる星の誕生と死から残ったガスである。XRISMは、どのような元素がどれだけ存在するか、特に天文学で「金属」と呼ばれる水素やヘリウムより重い元素がどれだけあるかを天文学者に教えてくれる。XRISMの観測は、宇宙が130億年以上の歴史の中でどのように金属に富んできたかを理解するのに役立つだろう。

天文学者たちは、チャンドラでAbell 2319を観測し、星団内媒質(ICM)のさまざまな部分構造を特定した。これらはすべて、銀河や銀河団の合体や銀河団のAGNとの相互作用によって引き起こされた、これまで考えられていたよりも複雑な現象であることを示唆している。XRISMはチャンドラよりも強力なので、この合体に関するさらなる詳細が明らかになるはずである。

しかし、これらの最初の画像に代表される成功とともに、XRISMは最初の難題に直面している。打ち上げ前のResolve検出器を保護する開口部の扉が開いていないのだ。これは1700電子ボルト以下の光子が検出器に届かないことを意味する。XRISMのスタッフは何度か開けようと試みたが、まだ成功していない。このまま閉じたままだと、300電子ボルト以下の光子を測定するように設計されているにもかかわらず、1700電子ボルト以下の光子を検出できないことになる。しかし、この問題はXtendには影響せず、XRISMチームはまだ解決策を研究中である。

XRISMミッションは、主にNASAとJAXAのパートナーシップによるものだが、ESAとカナダ宇宙庁も参加している。

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Resolve装置を保護する開口部が閉じたまま動かないため、XRISMは電子ボルトの検出範囲をフルに使って動作できない。独自の開口部を持つXtendは影響を受けていない。(Credit: ESA,CC BY-SA 3.0 igo)

ESAのCarole Mundell科学部長は、「XRISMが、まだ完全に校正されていないにもかかわらず、すでにこのような素晴らしい科学観測を行っているのを見るのは、とてもエキサイティングなことです。このミッションが、宇宙で最もエネルギッシュな現象の研究において画期的な発見を科学コミュニティにもたらす可能性を示しています」と、述べている。


この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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