高校生の皆さんへ

宇宙の謎に挑戦しよう!

美しい星空にロマンを感じ、宇宙の神秘に不思議な魅力を感じている皆さんも多いのではないでしょうか? 宇宙には言葉を失うほどの美しさと、想像を絶する激しさが共存しています。宇宙は謎だらけです。その未知の宇宙について共に学び、宇宙の不思議を一緒に解明してみませんか?
宇宙の様々な現象は、物理法則によって解き明かされると考えられています。しかしながら人類の知識が不十分なため、まだ説明できない現象がたくさんあります。 また、観測技術の進歩と共に新しい現象が発見され、新たな謎が次々に現れています。ひょっとしたら、宇宙には未知の物理法則が潜んでいるかもしれません。 私たちの夢は、物理学で宇宙の現象を統一的に理解し、できれば新たな物理法則を見つけることです。皆さんも一緒にこの夢を追ってみませんか?
日本国内では宇宙物理学を専門とする学科を持つ大学は限られています。しかし、宇宙の謎を解くには物理学の基礎知識が必要で、そのためには物理学科に進学することが最も適切です。 さらに東海大学理学部物理学科では、我々3人の専任スタッフ(西嶋、 河内、 櫛田)と総合教育センターの専任スタッフ(比田井)が協力して、可視光からガンマ線、ニュートリノにいたる幅広い方法で、宇宙の研究・教育を行っており、私立大学では数少ない宇宙物理学研究の拠点を目指しています。
皆さんの中には学力に自信の無い方もいらっしゃるかと思います。もちろん最低限の基礎学力は必要ですが、学問をやるのに最も大切なことは、知的な好奇心と、学問に対する情熱(やる気)です。 さあ、宇宙に興味のある高校生諸君!私たちと一緒に宇宙の謎に挑戦しましょう!

研究紹介

  • 超高エネルギーガンマ線の観測
    • 地上大気チェレンコフ望遠鏡技術の進歩により、超高エネルギーガンマ線天文学という新しい分野が驚くべき 勢いで確立されつつある。我々は、100GeVを越える超高エネルギーガンマ線を観測することにより、活動銀河 核、パルサー星雲、超新星残骸などで生起する様々な高エネルギー天体現象を理解するとともに、宇宙線の 起源の謎を解明することを目指している。
    • THe MAGIC(Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope)Collaborationは、ドイツ、スペイン、 イタリア、スイス、日本等8ヶ国21研究機関200名以上からなる国際共同研究チームである。 世界最大(口径17m)の 大気チェレンコフ望遠鏡2台を使用し、世界最高感度で銀河系内の宇宙線の起源とされる超新星残骸をはじめ様々な高エネルギー天体や、銀河系外の宇宙最大のブラックホールである活動銀河核(AGN)などを超高エネルギー ガンマ線で観測し、宇宙における粒子加速をはじめとする高エネルギー現象の解明を目指している。 当研究グループからは、西嶋櫛田小谷が、MAGIC Japanメンバーの一員として参加し、 特に活動銀河核を 中心とした銀河系外天体からのガンマ線の観測により、ブラックホール近傍ジェットの構造とそこからの 放射機構、矮小橢円銀河や超銀河団のダークマター探索、スターバースト銀河における宇宙線の加速と閉じ込め、 などの解明を目指している。
    • 一方、超高エネルギーガンマ線天文学の研究をさらに発展させるために、欧米日など世界25ヶ国から800人以上 が参加して、究極の大気チェレンコフ望遠鏡システムの将来計画CTA(Cherenkov Telescope Array)プロジェクトが進んでいる。 当研究グループから西嶋、櫛田、小谷が、CTA-Japanの一員としてMonteCarloおよびFocal Plane Instrumentationワーキングパッケージに参加している。特に将来の素子としてのMPPCの応用をにらんだ基礎的な開発研究を、西嶋、櫛田、小谷、斎藤渡辺によって進めている。 今後、TeVガンマ線だけでなくGeVガンマ線やX線、電波なども含めた多波長観測により、粒子の加速機構や宇宙線の起源など宇宙における 高エネルギー現象の解明が期待されている。

  • ダークマター探索
    • ダークマターの存在の証拠は渦巻銀河の回転曲線や重力レンズの効果により得られており、WMAPの観測から宇宙の物質の23%がダークマターであることがわかった。このダークマターを直接検出することが、現在の宇宙物理学上 の最重要課題のひとつである。 我々が参加しているXMASS実験は、この未知のダークマターを直接検出することを 目的に、日韓12の大学・研究機関の共同研究プロジェクトとしてスタートした。検出器は液体キセノン800Kgから なり、ダークマターとキセノン原子核の弾性散乱による発光を直接捕らえようというものである。 バックグラウンドを避けるため岐阜県の東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設の地下施設内に設置され、2010年秋に試運転を開始し、現在解析を進めているところである。本研究グループは、特に超低バックグラウンドPMTの開発やMCによる検出器デザインの最適化、キセノン中のラドン除去システムの開発等に多大な貢献をしてきた。 現在、西嶋と草場が参加している。検出感度はこれまでのダークマター検出器に比べて数十倍よく、もし検出できれば、宇宙の構造形成や進化、素粒子の理論に大きな進展をもたらすことは間違いない。

  • ニュートリノ実験
    • 我々の研究グループでは、西嶋が日米共同のスーパーカミオカンデプロジェクトの当初からのメンバーとして 研究を続けてきた。 御存じのようにスーパーカミオカンデは、それまでゼロと考えられていたニュートリノの 質量がゼロでない証拠を、大気ニュートリノ及び太陽ニュートリノの観測においてニュートリノ振動という現象を捕らえることにより世界で初めて示すことに成功した。 また、スーパーカミオカンデの前身、カミオカンデによる超新星ニュートリノ検出の業績により、小柴昌俊元東海大学教授(東京大学特別栄誉教授)が2002年度のノーベル物理学賞を受賞されたのはまだ記憶に新しい。 本研究所では、低エネルギーニュートリノグループのメンバーとして太陽ニュートリノの研究に貢献した他、宇宙における突発現象(太陽フレアーやガンマ線バースト)に伴うニュートリノ事象やモノポール探索、銀河面からの低エネルギーニュートリノ探索なども行ってきた。 一方、河内はIceCubeプロジェクトに参加し、活動銀河核などの高エネルギー天体からの高エネルギーニュートリノや、GZKカットオフニュートリノの検出を目指している。このプロジェクトは世界中から400人以上が参加している巨大プロジェクトで、日本では千葉大学が中心となっている。 太陽からのニュートリノを捕まえることに成功しています。太陽のエネルギー源は、中心で起きている核融合反応による核エネルギーです。そのときにできるニュートリノの数に比べて、観測されるニュートリノの数が不足していることが分かりました。 一方、先に述べた宇宙線が地球大気に突入してきたとき、衝突により壊れ、ニュートリノを作ります。実はニュートリノには3種類あって、大気中で作られたニュートリノの数は、ある種類に限って予想より少ないことが分かりました。 これらの実験結果と予想の矛盾から、それまでゼロと考えられていたニュートリノの質量が、実はゼロでないということが発見されました。 また、1987年近くの大マゼラン雲で超新星爆発が起きた際、生成されたニュートリノがカミオカンデで検出され小柴昌俊元東海大学教授(東大特別栄誉教授)が2002年にノーベル物理学賞を受賞されました。多くの研究者は、このときニュートリノ天文学の夜明けと呼びます。 最近では、南極の氷の中に検出器を埋め込んだ、1km3の巨大なニュートリノ検出器による観測 も始まっています。例えば、先に述べた活動銀河核などから、高エネルギーのニュートリノが飛来すること が期待されていて、もし見つかれば、宇宙線加速器としての直接的証拠になると考えられています。