平成15年度発足 科学研究費補助金 特定領域研究
サブミリ波帯からテラヘルツ帯に至る 宇宙観測の開拓
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研究項目A01  テラヘルツ帯分光観測の開拓
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研究項目A01  テラヘルツ帯分光観測の開拓

本研究項目は、これまでほとんど観測が行われていないテラヘルツ帯での宇宙観測を切り拓く目的で、2つの計画研究を置く。これらの計画研究においては、[NII]輝線の広域観測によって銀河系における分子雲形成のダイナミクスを探るとともに、銀河形成・進化の観測における「赤方偏移した遠赤外線帯輝線」を星形成のプローブとして確立し、さらにそれらを用いた、「銀河における星間物質の進化史解明」を目指す。


計画研究 ア:
テラヘルツ・ヘテロダインセンシングの開拓による銀河系星間雲の形成と進化の研究

研究代表者: 山本 智(東京大学・大学院理学系研究科・助教授)
電波天文学・研究のとりまとめ、テラヘルツ帯HEB素子の開発

本研究では、テラヘルツ領域(1.470THz)に存在する窒素イオン(N+)の微細構造スペクトル線[NII] (3P1-3P0)を観測するために、超伝導ホットエレクトロン・ボロメータ・ミクサ素子を開発する。高精度電子ビーム描画装置、複合成膜装置などの専用デバイス製作システムを導入し、リフトオフ法によって幅100nm、長さ100nmの超伝導薄膜ブリッジをもつ素子を形成する。この素子を用いてヘテロダイン受信機を構成し、富士山頂サブミリ波望遠鏡や口径18cm可搬型サブミリ波望遠鏡に搭載して、分子雲スケールから銀河系スケールでの[NII]スペクトル線の観測を展開する。[NII]スペクトル線は比較的高密度の低温プラズマという、星間雲の中でもまだ注目されていない新しい「相」をトレースする。非常に強度が強く重要なスペクトル線であるにもかかわらず、これまでCOBEによる粗い観測(7°分解能)以外ほとんど研究されていない。本研究では、その本格的観測を初めて実現し、高密度低温プラズマ雲の分子雲スケールから銀河系スケールでの分布と運動を詳細に明らかにする。その結果を、富士山頂サブミリ波望遠鏡や他の研究項目(A01イ、A02ウ)による中性炭素原子の微細構造スペクトル線[CI](3P2-3P1; 0.809THz, 3P1-3P0; 0.492THz)の観測や、研究項目(A01イ、A02ウ、A02エ)による一酸化炭素分子の回転スペクトル線の観測と比較することにより、高密度低温プラズマ雲の分布と運動、および、それが銀河系における星間分子雲の形成、進化、散逸に果たす役割を解明する。この研究を通して、テラヘルツ天文学を開拓する。


計画研究 イ:
赤方偏移した分子・原子輝線のサブミリ波観測による銀河進化と星形成史の解明

研究代表者: 河野 孝太郎(東京大学・大学院理学系研究科・助教授)
電波天文学・研究の統括、サブミリ波受信機の開発と原始銀河の観測

本研究では、南米チリのアタカマ砂漠(標高5000m)に設置した、大口径(10m)サブミリ波望遠鏡(ASTE)に、サブミリ波〜準テラヘルツ帯の超低雑音受信機を開発・搭載し、これを用いて、宇宙論的距離にある若い銀河からの、赤方偏移した原子・分子輝線の探査を行う。これを、天の川銀河・近傍銀河も含めた幅広い波長域での観測と突き合わせて解釈することにより、銀河進化と星形成史の解明を目指すものである。これを遂行するため、サブミリ波帯における高周波化の壁、すなわち、800GHz帯を超えるバンドでの低雑音SIS素子の実現を柱として、600GHzから900GHz帯にいたるサブミリ波〜準テラヘルツ領域での、高感度な分光観測システムを開発する。 原始銀河がそのエネルギーの大部分を放射していると予測されている遠赤外線〜準テラヘルツ域には、電離した炭素原子からの微細構造線([CII] 158μm、1.9THz)、中性炭素原子の微細構造線([CI] 370μm、0.809THz)やCO分子の高励起回転遷移(CO J=7→6, 0.807THz)など、豊富な分子・原子輝線がある。これらは、若い星や活動銀河核からの強い紫外線に晒された「光乖離領域」でのエネルギー収支を考える上で、最も重要な位置を占める。本研究では、(1) 遠方天体からの微弱な輝線の分光観測に耐える、低雑音・高安定なサブミリ波受信機システムを開発し、地上でもっともサブミリ波観測に適したサイトにある望遠鏡ASTEに搭載する。(2) これを用いた遠方銀河からの分子・原子輝線の深い探査を行う。さらに、(3) 天の川銀河・近傍銀河から宇宙初期の銀河に至る、いくつかの典型的天体において、遠赤外域〜ミリ波帯の原子・分子輝線データを、ASTEのみならずASTRO-F/FIS・野辺山45m/ミリ波干渉計も使って系統的に揃える。そして、(4) これらの結果を総合的に比較検討することにより、遠赤外線〜準テラヘルツ帯にある分子・原子輝線の星形成および重元素プローブとしての意義を確立し、これを用いて、「銀河の進化とともに、星間物質の性質とそこでの星形成がどう変遷してきたか」を解明する。

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