Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

宇宙観測 / 超伝導検出器 / MKIDs / 天文観測 / 低温技術 / 低温検出器 / 量子検出器 / ミリ波・サブミリ波 / フォトリソグラフィ / 検出器 / 超伝導 / 宇宙背景放射 / ミリ波・マイクロ波

将来の大型宇宙観測・天文観測実験では、数10万-100万の超伝導検出器による観測が予定されている。そのためには、大型基板にして基板100枚以上の検出器を生産する必要がある。この課題を解決するため、本研究では外部の半導体・MEMS素子作製工場に生産委託する形で超伝導力学的インダクタンス検出器（MKIDs）を開発した。
直径6インチ(150mm)基板および直径8インチ（200mm）基板を用いてMKIDsを作製・評価を行った。特に、8インチ基板は超伝導検出器に使われたシリコンウエハとしては最大規模である。これにより大型の検出器アレイの作製が可能になった。

超伝導素子は宇宙・天文観測や素粒子実験のような物理実験のみならず、量子コンピュータや量子情報等幅ひろい用途があり近年開発が活発になっている。
これまで、大学や研究機関の専用装置で作製される事が多かった超伝導検出器を、一般の半導体素子を作製する工場で作製可能にしたことで将来の大型物理実験に対応する作製能力を確保した。
また、産業用途に向けて一般の半導体工場で超伝導素子が作製可能であることを示し、超伝導素子の作製が容易になった点において価値がある。

宇宙星形成史 / 銀河進化 / ダスト / ミリ波サブミリ波 / 超伝導検出器 / 輝線銀河 / 超伝導

研究4年次となる令和2年度は、オンチップ型超広帯域超伝導分光器という新しいコンセプトの観測装置を本格的な科学運用に投入することを目指し開発を進めた。特に、220GHzから440GHzという完全1オクターブの分光を実現するDESHIMA 2.0の設計・開発を進め、実際に観測運用に投入できるグレードの超伝導分光チップの製作に着手することができた。また、この分光器をチリで運用しているASTE望遠鏡に搭載するため、常温光学系、特に光軸合わせのための調整機能付き支え機構や強度較正のためのデバイスの開発・調達を進めた。また、LMT望遠鏡に搭載する多画素化したDESHIMAのための大型真空・冷却システムと、大規模読み出し回路システム（前年度までに調達済み）の調整や試験測定を実施することができた。
アルマ望遠鏡を使った観測により、本課題の主題であるダストに隠された銀河の研究を進めた。ハッブル宇宙望遠鏡による高い感度での観測でも検出されていない、可視光・近赤外線域で見逃されていた大質量星生成銀河を、アルマ望遠鏡によるサブミリ波帯観測で検出し、その物理的な性質を明らかにした。また、アルマを使って重力レンズ銀河団33領域をくまなく観測する大型プログラム ALMA Lensing Cluster Survey（ALCS, PI: 河野）のデータ解析が進み、可視光・近赤外線観測では見落とされているがサブミリ波で明るい星形成銀河が、銀河団の重力レンズ効果により3重像として観測されている現場を発見した。VLT/MUSEでの観測とあわせ、この天体は赤方偏移4.3における銀河群の一部であることを明らかにした。こうした可視光・近赤外線では見逃されているがサブミリ波で検出される銀河種族は、高密度環境をトレースしていると考えられ、初期宇宙での構造形成を理解する上で重要な手がかりを与えると期待される。

巨大ブラックホール / ダスト / 超伝導 / ミリ波サブミリ波 / 爆発的星生成

本研究は、多量のダストに覆われた爆発的星形成銀河の中で成長する巨大ブラックホールを探査し、銀河と巨大ブラックホールの共進化過程を明らかにすることを目的として、次の2つの観測的研究を推進するものであった。(1) 従来のヘテロダイン分光システムと比較して数倍から数10倍に及ぶ広帯域を一挙に分光できる新しい概念の分光装置DESHIMAを開発し、サブミリ波望遠鏡ASTEに搭載して、サブミリ波で明るい爆発的星形成銀河(サブミリ波銀河)の分光観測を行う。これにより、[CII] 158μm輝線を利用した分光赤方偏移を測定すると共に、高励起CO輝線(X線乖離領域の指標)を調べることにより、隠された成長中の巨大ブラックホールの存在頻度を調べる。(2) 26平方分に及ぶALMAを使ったGOODS-S領域の波長1.2mm帯無バイアス探査と、深いX線データ(Chandra衛星による7Msデータ)を組み合わせ、ダストに埋もれた活動的巨大ブラックホールの探査を行う。
研究初年度は、DESHIMAのASTE望遠鏡への搭載準備を進めると共に、ALMAの膨大なデータの解析を進めた。前者においては、新しい概念の分光装置であるDESHIMAの仕様にあわせたデータフォーマットの策定を進めると共に、データ解析の手法の検討とそれに基づく観測モードの検討を進めた。後者については、ALMAを使った膨大なモザイクデータ(周波数セットアップも2つ)を足し合わせて、単一の波長1.2mm帯連続波画像を作成し、まずはsignificanceの高い天体リストの作成を進めた。統計的に確実なALMA天体11個について、Chandra衛星による最新かつ最も深いデータ(7Ms)データとのクロスマッチを進めた結果、その多くがX線放射を伴うことを明らかにした。今後、さらに赤外線光度とX線光度の定量的な比較を進めていく予定である。

超伝導 / 銀河形成・進化 / ダスト / ミリ波サブミリ波 / MKID / 電波天文学 / ミリ波・サブミリ波

ミリ波サブミリ波帯において、比較的低い分光解像度ながら、ヘテロダイン受信機と比較して格段に広い分光帯域の実現を目指した新しいコンセプトの分光システム DESHIMA の技術実証機の開発を行った。実験室における評価を経て、南米チリ・アタカマ砂漠において運用中のサブミリ波望遠鏡ASTEにDESHIMA技術実証機を搭載し、オリオン分子雲や系外銀河NGC253など複数の天体から信号を受信することに成功した。観測周波数帯域は約330-370GHz、分光点数は49チャンネルであった。世界に先駆けてon-chip型超広帯域サブミリ波分光システムの天体信号を使った技術実証を行うことができた。

【研究分担者】
川邊良平	国立天文台	科学研究部	教授	(Kakenデータベース)
田村陽一	名古屋大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
成瀬雅人	埼玉大学	理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
上田佳宏	京都大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
川邊良平	国立天文台	電波研究部	教授	(Kakenデータベース)
上田佳宏	京都大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
成瀬雅人	埼玉大学	理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
田村陽一	名古屋大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大島泰	国立天文台	先端技術センター	助教	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
田村陽一	名古屋大学	大学院理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
川邊良平	国立天文台	電波天文学研究系	教授	(Kakenデータベース)
松原英雄	独立行政法人宇宙航空研究開発機構	宇宙科学研究所	教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
石井峻	国立天文台	チリ観測所	助教
遠藤光	Delft University of Technology	Assistant Professor