北里大学、産業技術総合研究所、京都大学、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、低エネルギーガンマ線天文学において世界で初めてとする光学、電波、X線など天文学の標準となる幾何光学原理を用いた線形画像解析による天の川銀河中心の陽電子消滅ガンマ線スペクトルを高精度で求めること成功した（ニュースリリース）。
ガンマ線は、超新星爆発や宇宙線の加速など、高エネルギーの宇宙現象を探る重要な手掛かりとなる。特に、エネルギーが1MeV（百万電子ボルト）程度以下の領域は、宇宙の元素合成や陽電子の消滅過程などを調べるうえで重要だ。しかし、この領域では背景放射の影響が大きく、天体からの信号を高精度に画像化することが難しかった。そのため、観測データを複雑なモデルで解析し、放射源を間接的に推定する手法が中心となっていた。こうした未開拓領域は「MeVギャップ」と呼ばれている。
研究グループは、2018年にオーストラリアで実施した大気球観測実験「SMILE-2+」のデータを解析した。同実験では、電子の飛跡を捉えることができるETCCを搭載し、天の川銀河中心方向からのガンマ線を観測した。
ETCCの特徴は、ガンマ線が検出器内でコンプトン散乱した際に生じる反跳電子の飛跡を記録し、その方向を特定できることにある。これにより、ガンマ線の到来方向を画像上の位置として示すことができる。さらに、背景雑音を効果的に排除することで、従来の間接的な推定に頼らず、天体からの放射を直接画像化する。
今回、研究グループは150～600keVのガンマ線を対象に、幾何光学に基づく線形画像解析による撮像分光を実現した。観測データから天の川銀河中心の放射分布と強度を評価した結果、陽電子の消滅に由来するガンマ線放射は、従来の観測結果と誤差の範囲内で整合しながらも、従来値の約2倍の強度を示した。これは、銀河中心のガンマ線放射が従来の想定より強い可能性を示すもので、放射の起源をより高精度に検証する必要性を示している。
本成果は、単に新たな観測結果を得たことにとどまらず、MeVガンマ線天文学を、モデルに依存した推定中心の研究から、画像に基づいて天体を捉える研究へと発展させる一歩となる。研究グループは今後、より大型・高感度のETCCによる長時間の気球観測や衛星観測を通じて、超新星残骸や活動銀河核、ガンマ線バーストなどの撮像を目指す。
また、2028年にはJAXA宇宙科学研究所の豪州気球実験も予定されており、その候補として、感度を向上させたETCCを用いる観測実験「SMILE-3」による実施に向けた準備も進められている。こうしたMeV領域のガンマ線を画像として捉える技術の発展により、宇宙における反物質の起源や重元素の生成過程、宇宙線の加速機構など、現代宇宙物理学に残された重要課題の解明が進むと期待されている。
