X線天文学

X線天文学とは

X線天文学は、宇宙から放射されるX線を観測し、天体の性質や宇宙の構造を研究する天文学の一分野です。X線は、可視光や電波とは異なり、非常に高いエネルギーを持つ電磁波であり、100万～1億Kという極端な高温のガスから放射されます。そのため、X線観測は、高温の宇宙現象や高エネルギー天体を研究する上で不可欠な手段となっています。

X線観測の必要性

X線は地球の大気によって吸収されてしまうため、地上からの観測は非常に困難です。そのため、X線観測装置は、大気圏外の高い高度に設置する必要があります。初期には、気球やロケットが用いられていましたが、観測時間が限られるなどの制約がありました。現在では、人工衛星が主に用いられ、長時間の観測が可能となっています。

X線源の発見

1962年、さそり座X-1という最初の宇宙X線源が発見されました。この発見は、リカルド・ジャコーニによってなされ、2002年のノーベル物理学賞を受賞しました。さそり座X-1は、可視光の1万倍、太陽の全波長エネルギーの10万倍ものX線を放射していることが明らかになりました。現在では、このようなX線源は、中性子星やブラックホールといったコンパクト星であることが分かっています。これらの天体のエネルギー源は、重力エネルギーであり、強い重力場によって落下するガスが加熱され、高エネルギーのX線を放出します。

X線観測の手法

宇宙からは、非常に高いエネルギーのX線光子が降り注いでいますが、地球の大気は十分に厚いため、地表まで到達することはありません。そのため、X線観測は、大気圏外で行う必要があります。X線検出器を高い高度に運ぶ方法として、ロケット、気球、人工衛星が挙げられます。

ロケット観測

ロケットは、X線検出器を搭載して大気圏外へ打ち上げます。ロケットによる最初のX線観測は、1949年に行われました。しかし、ロケット観測は、飛行時間が非常に短いという難点があります。

気球観測

気球は、観測装置を海抜約35kmの高度まで運ぶことができます。気球では、ロケットよりも長い時間観測できますが、それでもX線スペクトルの多くは大気に吸収されてしまいます。

人工衛星観測

人工衛星は、地球大気よりも十分に高い軌道で観測を行うことができます。また、ロケットや気球と違って、観測装置が機能している間ずっとデータを取得できます。現在稼働しているX線観測衛星としては、XMM-NewtonやChandra、NuSTARなどがあります。また、国際[[宇宙ステーション]]には、全天X線監視装置(MAXI)が設置されています。

X線検出器

マイクロカロリメーター

マイクロカロリメーターは、X線光子を1つずつ検出し、そのエネルギーを測定する装置です。X線光子を吸収すると吸収体の温度がわずかに上昇する現象を利用しています。この装置は、天文学の用途に適しています。

超伝導遷移端温度計

超伝導遷移端センサー（TES）は、次世代のマイクロカロリメーターです。金属を超伝導状態から常伝導状態に転移するぎりぎりの温度に冷却しておき、X線光子を吸収した際の温度上昇を検出します。転移温度は、通常、絶対温度で数Kという極低温です。

宇宙のX線源

宇宙には、様々なX線源が存在します。

銀河団：銀河同士の間の空間は、1億Kという高温のガスで満たされており、X線を放射しています。この高温ガスは、観測可能な銀河の質量よりもはるかに大きいと考えられています。
活動銀河核（AGN）：銀河の中心にある巨大ブラックホールは、周囲の物質を吸い込みながらX線を放射しています。
超新星残骸：超新星爆発の残骸もX線源となります。
連星系：白色矮星、中性子星、ブラックホールなどのコンパクト星を含む連星系は、X線を放射します。
太陽系天体：月もX線を放射しており、太陽からのX線を反射して明るく見えます。

ブラックホールは、周囲の物質が重力によって加速され、降着円盤を形成し、そこで発生する高温のガスがX線を放出します。銀河団のガスは、銀河団の重力ポテンシャルによって加熱され、高温のガスがX線を放射します。

まとめ

X線天文学は、高温の宇宙現象や高エネルギー天体を研究する上で重要な分野です。X線観測は、宇宙の構造や進化を理解するために欠かせない手段であり、これからも新たな発見が期待されています。

関連項目

ガンマ線天文学
電波天文学
ヴォルター望遠鏡

外部リンク

Imagine The Universe! @ NASA
名古屋大学U研X線グループ X線望遠鏡とは

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