XRISM (クリズム) 衛星が解き明かした高温ガスの３次元構造〜「レアタイプ」超新星残骸の発見〜

2025/7/29 17:00

2025年7月29日

立教大学

報道関係各位

XRISM（クリズム）衛星に搭載された軟X線分光装置 Resolve（リゾルブ）を用いた観測で、特異な構造を持つ超新星残骸「W49B」の姿が明らかになりました。観測計画・解析を主導した立教大学理学部の澤田真理助教をはじめ、本学の教員や大学院生による長年の取り組みの結晶ともいえる今回の発見。星の最期に何が起こるのか――その謎に、新たな光が当てられました。

POINT①　奇妙な天体「W49B」の運動を捉えて分かった真の姿。星の進化や爆発の理解に影響を与える、新しいモデルの構築につながる？

図１：「W49B」の想像図　©JAXA

「 W49B 」は通常のリング状の超新星残骸とは異なるひしゃげた形をした天体です。その 3 次元構造は長年の謎で、これまでは、中心から外側へ円盤状に膨らんだ形を横から見ているとする説が有力でした。ところが、 XRISM による観測で残骸を構成するガスの運動が詳しく解析され、これまでの説を覆す新たな姿が浮かび上がりました。一方の端は地球に向かって近づき、もう一方は遠ざかっており、中央付近は大きく動いていないことが分かったのです。この結果から導き出されたのは、「鼓（つづみ）」のような双極構造。なぜ「 W49B 」がこのような形になったのか、その全てが解き明かされたわけではありませんが、今回の観測によって特異な 3 次元構造が初めて判明しました。星の進化や爆発の理論に、新たな地平を切り開く発見といえます。

これまでの説を覆す、「鼓（つづみ）」状構造

図２：「鼓（つづみ）」状構造の図　©JAXA

一方が近づき他方が遠ざかる、東西で反対向きの「双極状」運動をしていた（図2）。

高速回転をともなう特殊な爆発だった？　親星の恒星風が作った洞穴の中を進むように膨張している？

…いずれにしてもこれまで例がない特殊な超新星残骸。星の進化や爆発の理論に波及する可能性も。

POINT②　50 mKという極低温で精密な測定を実現。天体の動きや組成も分かる、Resolve分光器

ガスの微細な運動を捉えたのが、マイクロカロリメータ「Resolve」です。X線のエネルギー量を正確に測るためには、センサーを絶対零度に限りなく近い50 ｍK（ミリケルビン）まで冷却し、その温度を±2.5 μK（マイクロケルビン）という驚異的な精度で制御しなければなりません。そのため、わずか5ミリメートル四方のセンサーに対し、大人が手を広げても抱えきれないほどの大掛かりな冷却装置が組み込まれています。この繊細かつ壮大な装置のうち、センサーに近い部分はNASAが中心となって開発。一方、冷却装置の大部分やデジタル波形処理装置などは、JAXA が中心となり澤田助教・山田准教授・北本特別専任教授も主要メンバーとして参加する日本のチームが担当。国際協力のもと、かつてない観測精度の装置を作り上げました。

図3､4：高さ1.7mのResolve分光器全体像（上）とその内部にあるX線を感知するセンサー（下）。

POINT③　12年以上を費やした計画が実を結んだ多くの天文学者にとって待望の結果

「W49B」の観測計画は、XRISMの先代にあたるHitomi (ASTRO-H) 衛星の打ち上げ前、2012年頃から始まっていました。天体の謎に迫る観測の機会を天文学者たちが待ち続ける中、立教大学の教員や大学院生はHitomi・XRISM両衛星の開発に力を尽くしてきました。国際共同研究の元、その長年にわたる努力が実を結び、ついに一つの成果にたどり着いたのです。

壮大な宇宙の謎に挑むXRISMプロジェクト。その中心で重要な役割を担ってきた立教大学

図５_XRISM衛星　©JAXA

壮大な宇宙の謎に挑むプロジェクトにおいて、立教大学はその中核を担ってきました。澤田助教、山田准教授、北本特別専任教授を中心に、教員・大学院生が NASA や JAXA 、他大学の研究者と連携しながら、 Resolve の開発や運用、観測計画の立案、データの解析に至るまで幅広く関与してきました。

中でも大学院生の協力は欠かせないものでした。彼らは研究者と共に現場に立ち、開発段階の試験や測定に携わってきました。粘り強く検証を繰り返し、プロジェクトを支える大きな力となりました。失敗も貴重な学びの機会と捉え、研究の本質に立ち返りながら着実に歩みを進めてきた姿勢が、確かな成果へと導いたといえるでしょう。

図６(左)／NASA ゴダード宇宙飛行センターで実施したセンサー性能評価試験　©NASA, M. Eckart

図７(右)／JAXA筑波宇宙センターでの装置全体の性能評価試験。コロナ禍のためNASAと映像をつないで行われた © JAXA

XRISMは2023年9月の打ち上げ以降、順調に観測を続けています。澤田助教、山田准教授、北本特別専任教授が所属する研究グループは、超新星残骸やブラックホールの高精度なデータを取得し、次々と成果を生み出しています。長い時間をかけて積み上げてきた知と情熱が、宇宙の理解を深める力として結実しようとしています。

立教大学が支えたResolve開発

●分光器の較正（澤田助教）

環境により時々刻々変化する観測機器からの信号出力を補正し、装置の測定精度を最大限に高める作業。打ち上げ前の試験に加え、打ち上げ後も既知の天体のデータを用いた性能検証を実施。

●波形処理システムPSPの開発（山田准教授）

分光センサーで取得した波形データを、衛星上で選別・解析するシステムを開発、動作検証。

●ゲートバルブ透過率の測定（北本特別専任教授）

X線入射口にあるセンサー保護用ゲートバルブは、ベリリウム窓を搭載し、閉じたままでも観測を可能にする。この窓のX線透過率を測定。

XRISMによる観測の成果（抜粋）

●「レアタイプ」超新星残骸の発見

本研究。澤田助教と米国のリバモア国立研究所のG. Brown 博士がリードを務めたW49B 国際解析チーム（26名）の主導による、XRISM Collaboration（139名）の成果。科学誌 The Astrophysical Journal Lettersに掲載（2025年7月29日/日本時間午前0時）。

●超巨大ブラックホールから噴き出す風の速度構造を発見

超巨大ブラックホール「PDS 456」から噴き出される風が、複雑な速度構造を持つことを世界で初めて発見（図8）。科学誌Natureに掲載（2025年5月15日）。