「きぼう」での実験

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背景

はるか昔、天体観測は夜空を見上げることから始まりました。そして技術の進歩とともに天文台の大型望遠鏡へ、さらに現代では電波・赤外線・X線等の電磁波の人工衛星等を用いた観測が行われています。こうした観測技術の発達により、それまで観測が難しかった宇宙線(ニュートリノや電子、陽子・原子核といった宇宙から飛来する粒子)も捉えられるようになりました。

現在、宇宙物理学・素粒子物理学で最も解明が急がれているのは「暗黒物質」に関する問題です。これは観測が困難な仮説上の物質で、その正体は不明です。しかし銀河の回転速度や重力レンズ効果、宇宙背景放射の観測などから、光を出さずに質量のみを持つ未知の物質の存在が予測されています。それらの観測によると宇宙の全質量のうち、観測できるものはわずか5%であり、残りの95%は正体不明の暗黒物質と暗黒エネルギーで占められていることになります。この謎を解く鍵として、宇宙線の観測に注目が集まっています。

目的

暗黒物質の存在を確かめるためには、宇宙を飛び交う電磁波はもちろん、宇宙線や高エネルギーガンマ線(紫外線やX線よりもはるかに高いエネルギーを持つ)についても詳細に調べる必要があります。そこで今回のミッションでは、「きぼう」の船外実験プラットフォームに「高エネルギー電子・ガンマ線観測装置」(CALET)を設置して長期にわたって観測します。

解明を目指しているのは、①高エネルギー宇宙線・ガンマ線の起源と加速のしくみ、②宇宙線が銀河内を伝わるしくみ、③高エネルギー電子、ガンマ線の観測による暗黒物質の正体などです。粒子の生成・消滅という素粒子物理学(または原子核物理)と、粒子の加速・伝播という宇宙物理学のふたつの視点から、宇宙線天文台として高エネルギー宇宙現象・暗黒物質等の解明を目指します。

実験内容

打ち上げられた「高エネルギー電子・ガンマ線観測装置」(CALET)は、「きぼう」船外実験プラットフォームに設置されます。CALETは、最新の検出・電子技術を用いた「カロリメータ」と呼ばれる装置を搭載し、宇宙を飛び交う粒子のエネルギー量とそれらの粒子の種類や飛来方向を測定します。この装置は気球実験を通じて開発されたもので、非常に高いエネルギーの電子やガンマ線、陽子・原子核成分を高精度で観測できます。またわれわれの銀河の外で、短時間に大量のガンマ線が観測されるガンマ線バーストと呼ばれる現象についても測定するほか、太陽活動の地球環境への影響についても調べます。

観測は2〜5年にわたって行われ、惑星間空間から銀河系外までの宇宙の広い領域で、高エネルギー宇宙現象の解明を目指します。

実施チーム

ココがポイント!

この観測によって、宇宙線の発見以来100年を経た現在でも未解明な高エネルギー宇宙線の加速の源やその発生機構に諸説あるガンマ線バーストの解明さらに暗黒物質の探索など、世界に先駆けた新発見が期待されています。

【ISS「きぼう」で宇宙観測実験を行うメリット】

地上実験と比較した宇宙実験のメリット

• 宇宙から飛来する高エネルギー宇宙線(一次宇宙線)は、地球大気と相互作用してシャワー現象を起こし、次々に別の粒子(二次宇宙線)を生成しエネルギーを失うとともに、粒子の種別やエネルギーといった一次宇宙線の情報も多くが失われます。そのため、入射粒子の特定やエネルギー計測を正確に行い、高精度な観測を実現するためには、宇宙空間での観測が不可欠となります。

ISS「きぼう」で実施するメリット

• 宇宙観測実験を専用の人工衛星で実施する場合、姿勢制御、熱制御、電力供給等のインフラ機能を、人工衛星自身に持たせる必要があるため、科学観測を行う機器の重量は衛星全体の中で制約を受けます。人工衛星全体が大規模になればこの制約は緩和されますが、開発期間も長くかかり、開発費も多くかかり、不具合発生のリスクも高くなります。
  一方、ISS「きぼう」を利用した宇宙実験の場合、インフラ部分はISSきぼうが提供してくれるため、観測装置そのものの開発に特化でき、専用の人工衛星を開発する場合と比較して、短期間、低コストで宇宙観測実験を実現することができます。
• ISSは短時間(約90分)で地球を一周する軌道を飛んでいるため、CALETのように全天を網羅的に観測対象とする宇宙観測実験に適しています。