「すざく」の10～100倍暗い天体が観測できる検出器 ここがスゴイ！ひとみ [その3]

国内外の大学・研究機関の250名を超える研究者が開発に参加するX線天文衛星「ひとみ」（ASTRO-H）。その多くのメンバーは、「ひとみ」の根幹というべき、望遠鏡と検出器の開発に携わっています。「ひとみ」には、2種類の望遠鏡と4種類の検出器が搭載されており、それぞれ特徴があります。「その1」ではX線望遠鏡、「その2」では4種類の検出器のうちの1つである軟X線分光検出器(SXS)を紹介しました。ここでは残りの3つの検出器(SXI, HXI, SGD)を紹介します。

※「軟X線」「硬X線」「軟ガンマ線」…文字から、硬さがあるように感じますが、実際にはエネルギーの高さに応じて “エネルギーが低め＝軟”、“エネルギーが高め＝硬”と呼び分けています。

これら3種類の検出器のうち2つ(SXI、HXI)は、Ｘ線撮像検出器と呼ばれるもので、X線望遠鏡(SXT、HXT)と組み合わせることで、可視光と同じように天体からやってくるX線を捉えて画像を撮る（撮像）ことができます。市販されているデジカメと同じように、小さな半導体素子がたくさん並んでおり、どの素子に何個X線が入ったかを調べることでX線画像が得られます。実際は、素子に当たったX線によって飛び出した電子を電気信号として読みだします。

デジカメとの違いとして、可視光線の場合は光子が1つ当たると電子が1つだけ飛び出すのに対して、X線の場合は光子エネルギーが大きいため、1つの光子のエネルギーに比例した数の電子が飛び出します。これにより、光子1つ1つの持つエネルギーを測る（分光）こともできます。

硬X線望遠鏡(HXT)の焦点に置かれるHXIは、日本独自の新型の撮像検出器で、エネルギーの高いＸ線、すなわち硬X線で天体を撮像する目的で開発されました。軟X線を検出するSXIがシリコン(Si)半導体を一層だけ用いるのに対し、HXIはシリコン半導体を4層、さらにその下部にテルル化カドミウム（CdTe）半導体を一層、積み重ねて用います。これは高いエネルギーのＸ線ほど、検出器を素通りしやすくなるからです。こうしてHXIはSXIより大まかに10倍も高いエネルギー範囲で撮像・分光を行うことができます。視野は9分角になります。HXIの先輩にあたる装置は、硬X線検出器として「すざく」に搭載され活躍しましたが、HXIは硬X線望遠鏡と組み合わせることで撮像が可能となり、また感度もざっと100倍にも向上します。

日本独自のコンセプトである「狭視野コンプトンカメラ」を「ひとみ」に応用した装置です。望遠鏡は使わないので天体の細かい撮像はできませんが、硬Ｘ線よりも高いエネルギーの軟ガンマ線をとらえることにより、高エネルギー現象の解明に活躍します。

「ひとみ」は、SXSも含めこれらの4種類の観測装置を組み合わせて、同じ天体を同時に観測します。これにより、図2のように、軟X線・硬X線・軟ガンマ線帯域というとても広いエネルギー帯域で、同時に観測することができます。これらの検出器の感度は、「すざく」の10倍から100倍にもなります。

その結果、従来は測定できなかった超高温プラズマの温度を測定したり、厚いガスに囲まれた銀河中心の巨大ブラックホールを検出したり、超新星残骸や高速で自転する中性子星の近傍で粒子が加速される様子を調べるなど、格段に進んだ研究が可能となると期待されます。