大阪大学大学院理学研究科の大学院生の朝倉一統さん（博士後期課程）、故・林田清准教授らの研究グループは、X線偏光撮像衛星IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) による超新星残骸カシオペア座A（Cas A）の観測により、世界で初めて超新星残骸からのX線偏光検出に成功しました。IXPEは2021年12月9日に打ち上げられた世界初のX線偏光撮像衛星であり、Cas A はIXPEが最初に科学観測を行った天体です。

超新星残骸の衝撃波近傍でこれまでに観測されてきたX線放射は磁場との相互作用によるものであり、磁場と垂直な方向に高い偏光度を有することが予測されていました。しかし、X線偏光の測定は技術的に困難であり、 長らく観測的進展がない状態が続いてきました。

今回、IXPEが初めてCas AのX線帯域の偏光測定を実現させたことにより、磁場は全体的に見れば中心から放射状に伸びていることが明らかになりました（図1）。また、偏光度が低いことから、粒子の加速現場では磁場が入り乱れていることを示しています。今後はCas Aに加えて他の超新星残骸も観測予定であり、これらの観測結果も合わせて未だよく分かっていない衝撃波近辺での粒子加速のメカニズムの解明につながることが期待されます。本研究成果は、米国科学誌「Astrophysical Journal」に2022年10月10日（米国時間）に公開されました。

図1. 複数の波長帯で撮影したCas Aの画像にIXPEの観測から推定された磁場方向を重ね合わせた図。
緑の部分は特に偏光検出の有意度が高い箇所を指す。
Credits: X-ray: Chandra: NASA/CXC/SAO;
IXPE: NASA/MSFC/J. Vink et al.

超新星残骸では衝撃波により粒子が光速近くまで加速されますが、その加速機構の詳細に関しては未だ解明されていません。この衝撃波は様々な波長帯で観測することができますが、中でもX線放射は衝撃波で加速された最もエネルギーの高い粒子によって生じるため、X線帯域での観測は加速機構の最も本質的な部分を捉えることができます。特に、粒子の運動は磁場との相互作用に影響されるので、この加速現場の磁場構造は加速機構を解明するための重要な鍵の一つです。

従来のX線観測は撮像・分光・測光が主軸であり、これらの観測手法では磁場の測定が困難でしたが、磁場との相互作用で生じるX線は磁場と垂直な方向に偏光するため、偏光観測は直接的に天体の磁場構造を観測することができます。そのため、X線天文学の黎明期からX線偏光観測はその重要性が主張されていましたが、測定が技術的に難しいこともあり、長らく観測的進展がない状態が続いていました。しかし、近年の装置開発の発展に伴い、2021年12月に世界初となるX線偏光撮像衛星 IXPE が実現し、新時代の観測の幕開けとなりました。

2021年12月に打ち上げられたIXPEは翌年1月に超新星残骸 Cas A の観測を実施しました。この観測データは大阪大学・広島大学を含む各国の科学者によって解析され、Cas A から世界初となるX線偏光の検出に成功しました。超新星残骸の衝撃波近傍では星間ガスが掃き集められ、衝撃波面に沿った円弧状に揃った磁場が形成されていると予想されていました。この場合、磁場との相互作用で生じるX線は衝撃波面に垂直な方向に高い偏光度を有することが期待されます。しかし、今回の偏光観測はこの予想とは異なり、衝撃波近傍の磁場は全体的にみて中心から放射状に伸びていることが明らかになりました。この結果は他の波長帯の偏光観測とも一致しており、X線帯域でも同様の結果が得られたことは、衝撃波のごく近傍で既に磁場の方向が衝撃波面と垂直に切り替わっていることを示唆しています。 また、偏光度が低かったことから、磁場は一律に揃っているわけではなくある程度入り乱れていることも示しており、これまでは未知の領域だった加速現場の磁場構造を明らかにしたと言えます。IXPE はCas A以外の超新星残骸も観測予定であり、それらも含めて今後も粒子加速機構の解明に繋がる観測結果が期待されます。

IXPE は米国とイタリアの主導する国際共同プロジェクトであり、日本からも大阪大学、広島大学、理化学研究所、山形大学、東京理科大学、名古屋大学、中央大学が参加しています。

本研究成果は、2022年10月10日（月）（米国時間）に米国科学誌「Astrophysical Journal」に掲載されました。

タイトル：“X-ray polarization detection of Cassiopeia A with IXPE”
著者名：J. Vink, D. Prokhorov, R. Ferrazzoli, P. Slane, P. Zhou, K. Asakura et al.
ＤＯＩ：https://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/ac8b7b

NASA press release
https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/news/nasa-s-ixpe-helps-unlock-the-secrets-of-famous-exploded-star.html

NASA IXPE Web site
https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/index.html

理学研究科松本研究室HP
http://wwwxray.ess.sci.osaka-u.ac.jp/OskXrayTlabHP/home/index.html