立教大学理学部物理学科
 山田(真)研究室
宇宙物理学/高エネルギー天文学

立教大学理学部物理学科 山田研究室は2020年4月にスタートしました。X線衛星XRISMに搭載される精密X線分光器(マイクロカロリメータ)の開発およびそれを用いたブラックホールや銀河/銀河団など宇宙でおこる高エネルギー現象の解明を目標としています。将来に向けて、次世代の精密分光装置である超伝導転移端検出器(Transition Edge Sensor)の開発と、それを用いた様々な地上実験も進めています。ついに、2023年9月7日、X線衛星XRISMがHII-A 47号機から打ち上げられました。

X線天文衛星 XRISM

宇宙X線天文学
X線カロリメータ

ブラックホールX線観測

高エネルギー宇宙現象
銀河、銀河団など

精密X線分光器開発

超伝導転移端検出器(TES)の基礎開発

TESの地上応用実験

ハドロン、QED検証、分子雲の化学進化、
放射光物質分析

研究内容の概要

X線は透過力が高いので、ブラックホール近傍を見透すことや、宇宙の中でも激しい現象を捉えるのが得意です。温度は1000万度を超えるようは高温で、身の回りの鉄や銅も気体として存在している世界を対象にしています。そういう直感が効かない世界を物理学を使って、何が起こっているかを想像したり、観測で検証するのがX線を用いた宇宙の観測的研究です。目標は、「宇宙X線観測を通して、宇宙の進化やブラックホールと銀河の関わりなど、未だに残る宇宙の謎を一つでも解明すること」です。

1)「X線衛星XRISMの精密X線分光器の開発」

2021年に打ち上げ予定のX線衛星XRISMに搭載される精密X線分光器(Resolve)の開発をしています。山田研では室温デジタルエレキにより波形処理を主に担当しています。宇宙空間で50mKという極低温でX線検出器を動作させるため、宇宙用の冷凍機など特殊な宇宙技術が結集しています。

2) 「次世代の精密X線分光器の開発」

将来のX線衛星に向けた超電導遷移端検出器 (Transition Edge Sensor; TES) の開発もしています。次世代のX線衛星でも主力のセンサーで、自分たちで製作して測定し、宇宙で動作させるための想像力を育みます。

3)「精密X線分光を用いた地上実験」

宇宙観測向けに開発された精密X線分光器を用いた様々な実験

など、宇宙と地上の実験の良さを融合させて、よりよい実験技術を追求していきます。

4) 「天体解析」

宇宙X線データを用いた天体解析も進めています。最先端のソフトウェア技術や機械学習と組み合わせた研究も進めています。ブラックホールの周囲に形成される冷たいガスと高温ガスの織りなす不思議な現象の解明や、ブラックホールと銀河の共進化の素過程の理解など、知りたいことは尽きません。

最近のトピック

立教大学理学部 山田真也 准教授、東京大学大学院理学系研究科 高橋嘉夫 教授、日本原子力研究開発機構 蓬田匠 研究員、高輝度光科学研究センター（JASRI） 宇留賀朋哉 任期制専任研究員、新田清文 研究員、関澤央輝 主幹研究員らは、超伝導転移端検出器（Transition Edge Sensor; TES）の利用を推進する複数の研究機関との共同研究を行っています。

今回、大型放射光施設SPring-8のビームラインBL37XUにおいて、マイクロビームX線を用いた蛍光XAFS（X線吸収分光法）分析のための検出器として世界で初めてTESを適用し、通常の半導体検出器では捉えることのできない、実環境試料中の微量のUの分布状態を把握することに成功しました。詳細は、立教大学のプレスリリース、原論文をご覧ください。

2024.02.27 [論文受理]
修士課程の酒井優輔さんの論文「位置依存型 Point-spread Function を用いた Richardson-Lucy 法の X 線衛星 Chandra 撮像画像への応用 ~超新星残骸カシオペア座 A の鮮明化~」がJAXA宇宙科学情報解析論文誌に受理されました。


立教大学理学部修士課程２年の酒井優輔さんは、宇宙の天体解析技術として、宇宙X線衛星での世界最高精度の空間分解能を誇るChandraの観測画像を全領域で観測画像を鮮明化する画像デコンボリューション法を実装し、超新星残骸カシオペア座Aを用いて原理実証しました。詳細は、原論文を参照ください。

2024.02.16 [表彰]

2023年度の立教大学理学研究科物理学専攻修士論文発表会において、本研究室の酒井優輔さんが最優秀賞を受賞しました。

2023.07.04 [論文受理] [press release]
修士課程の酒井優輔さんの論文「Richardson–Lucy Deconvolution with a Spatially Variant Point-spread Function of Chandra: Supernova Remnant Cassiopeia A as an Example」がApJに受理されました。


立教大学理学部修士課程２年の酒井優輔さんは、宇宙X線衛星で世界最高精度の空間分解能を誇るChandraの観測画像を鮮明化する独自手法の開発に成功し、超新星残骸カシオペア座Aを用いて原理実証しました。詳細は、原論文、立教大学のプレスリリース、Chandraニュースページを参照ください。

2022.06.20 [論文受理]
修士課程の土岡智也さんの論文「X-Ray Studies of the Inverted Ejecta Layers in the Southeast Area of Cassiopeia A」がApJに受理されました。


立教大学理学部修士課程２年の土岡智也さんは、超新星残骸カシオペア座Aの噴出物の元素の逆転層の形成過程を解明を目指し詳細に解析し、その結果、残骸進化の初期、あるいは超新星爆発時の噴出物の逆転を示唆する手がかりを発見しました。詳細は、原論文を参照ください。

立教大学理学部 山田真也 准教授、一戸悠人 助教ら国際共同研究グループは、X線検出器であるTESマイクロカロリメータを使用し、ミュオン原子から放出されるミュオン特性X線のエネルギースペクトルを精密に測定し、強電場量子電磁力学をエキゾチック原子で検証する原理検証実験に成功しました。詳細は、立教大学のプレスリリース、原論文をご覧ください。

立教大学理学部 山田真也 准教授、一戸悠人 助教ら国際共同研究グループは、J-PARCの大強度陽子加速器施設で、K-中間子における「強い相互作用」の測定精度を向上させることに成功しました。これには、世界最高強度のK-中間子ビームと超高精度な"温度計"（TESマイクロカロリメータ）が使用されました。詳細は、立教大学のプレスリリース、原論文をご覧ください。

2022.02.19 [表彰]

2021年度の立教大学理学研究科物理学専攻修士論文発表会において、本研究室の土岡智也さんが最優秀賞を受賞しました。

2021.05.13 [論文受理] [press release]
助教の佐藤寿紀さんの論文「High-entropy ejecta plumes in Cassiopeia A from neutrino-driven convection」が Natureに受理されました。


立教大学佐藤寿紀助教が率いる国際共同研究グループの成果がNature誌に掲載され，4/22号の表紙を飾りました。 本研究では大質量星の超新星爆発メカニズムの要である「ニュートリノ加熱」の痕跡を世界で初めて発見し，宇宙物理学上 の未解決問題の解明に大きく貢献しました。詳細は、原文、立教大学のプレスリリースを参照ください。

立教大学理学部 山田真也 准教授、一戸悠人 助教ら国際共同研究グループは、超伝導転移端マイクロカロリメータ（TES）を用いて、ミュオン原子から放出される電子特性X線のエネルギースペクトルを精密に測定し、ミュオン原子形成過程のダイナミクスを解明しました。この成果は、負ミュオン・電子・原子核から構成されるエキゾチックな量子少数多体系の新たな研究分野の開拓に寄与すると期待できます。詳細は、立教大学のプレスリリース、原論文をご覧ください。

2020.02.19 [表彰]

2020年度の立教大学理学研究科物理学専攻修士論文発表会において、本研究室の大塚駿平さんが最優秀賞を、菅谷知博さんが優秀賞を受賞しました。

2021.05.13 [論文受理]
修士課程の土岡智也さんの論文「On the Origin of the Asymmetry of the Ejecta Structure and Explosion of G350.1–0.3」がApJに受理されました。


立教大学理学部修士課程２年の土岡智也さんは、超新星の非対称爆発の機構に着目した超新星残骸G350.1-0.3のX線解析から、爆発放出物の高速移動の測定に成功しました。詳細は、原論文を参照ください。

立教大学理学部 山田真也 准教授、一戸悠人 助教らは、超伝導転移端検出器（Transition Edge Sensors;TES）の利用を推進する国際的な専門家チームとの共同研究により、大型放射光施設 SPring-8のビームラインBL37XUにTESを持ち込み世界で初めてTESを用いた環境試料の蛍光XAFS（X線吸収分光法）分析に成功し、超微量分析や発光分光法への応用の道を拓くことに成功しました。詳細は、立教大学のプレスリリース、原論文をご覧ください。

2020.08.01 [論文受理]
博士課程の日暮凌太さんの論文「X-Ray Hotspots in the Northwest Shell of the Supernova Remnant RX J1713.7-3946」がApJに受理されました。


立教大学理学部 博士課程１年の日暮凌太さんは、超新星残骸 RX J1713.7-3946のChandra衛星のX線データを詳細に解析し、X線で輝くコンパクトなホットスポット("hot spots")を複数発見しました。詳細は、原論文を参照ください。