早大など、雷雲から生じるガンマ線のイメージングに成功

早稲田大学(早大)、理化学研究所(理研)、大阪大学(阪大)、科学技術振興機構(JST)の4者は9月30日、ガンマ線を可視化できる高感度コンプトンカメラを開発し、雷雲から生じるガンマ線のイメージングに成功したことを発表した。

同成果は、早大理工学術院の片岡淳教授、理研開拓研究本部の榎戸輝揚理研白眉研究チームリーダー、阪大大学院工学研究科の和田有希助教らの共同研究チームによるもの。詳細は、地球化学全般を扱う学術誌「Geophysical Research Letters」に掲載された。

近年、雷雲中の強い電場で電子が加速され、X線やガンマ線を放出することがわかってきた。雷から生ずるガンマ線には、継続時間が数百ミリ秒と短く、稲妻の放電現象と完全に同期する「ガンマ線フラッシュ(TGF)」と、稲妻とは同期せず、継続時間が数分間にも及ぶ「雷雲ガンマ線(ガンマ線グロー)」が知られている。

雷雲ガンマ線は、雲の中で雪崩的に増えた相対論的な電子が起こす特殊な放射(制動放射)と考えられている。しかし、雷雲中の「どこで」「どのように」電子が加速されているのかについては、まだ十分にわかっていない。その理由は、従来の観測装置ではガンマ線を検出できても、雲の中の位置まで特定することができなかったためだという。

そこで研究チームは、2019年からシンチレータを用いた予備測定に続き、2021年冬季から独自に開発したガンマ線可視化装置「コンプトンカメラ」を導入することにしたという。

ガンマ線も電磁波(光)の一種だが、粒子としての性質が強いため、レンズや反射鏡を使ってイメージングすることは不可能とされる。しかし、その粒子としての性質を逆に利用し、まったく異なる方法でイメージングを実現するのがコンプトンカメラだという。

(左)雷雲中でガンマ線が発生するメカニズムと稲妻。雲中の強い電場で加速された電子からガンマ線が発生する。(右・a)冬季日本海側で雷が発生するメカニズム。(右・b)日本海から内陸に約25km、標高約410mに位置する新潟県十日町市松代の観測サイト (出所:JSTプレスリリースPDF)

ガンマ線が検出器に入射すると、エネルギーの一部を電子に渡し、自らは別な方向へ散乱される「コンプトン散乱」と呼ばれる反応を起こす。コンプトンカメラでは「散乱体」と「吸収体」で電子と散乱ガンマ線、両方の運動学を同時かつ正確に解くことで、入射ガンマ線の到来方向を決定する仕組みとされている。今回開発されたコンプトンカメラは、縦横の大きさ10cm×10cm、散乱体3mm厚、吸収体5mm厚となっている。

(左)サッカーのシュート場面に例えた、コンプトンカメラの撮像原理。キッカー(のシュートしたサッカーボール)が到来ガンマ線、ボールを弾いたキーパーが散乱体、ゴールネットが吸収体という関係だ。(右)今回のコンプトンカメラの構成。散乱体と吸収体での反応位置とエネルギーが計測される (出所:JSTプレスリリースPDF)