国産高解像度宇宙X線望遠鏡の開発に成功
～天文学×放射光科学の融合で「激動の宇宙」を視る～

2026年4月8日
名古屋大学
東京大学先端科学技術研究センター
夏目光学株式会社
名城大学
理化学研究所

【本研究のポイント】
⚫︎天文学分野と放射光科学分野の技術を融合し、国産の高解像度宇宙X線望遠鏡^注1）の開発と性能実証に成功した。
⚫︎大型放射光施設SPring-8^注2）の約1km長尺ビームラインを活用し、高輝度かつ見かけ上ほぼ点光源となるX線評価システムHBX-KLAEES^注3）を構築した。
⚫︎性能評価の結果、FWHM^注4） 0.7秒角^注5）、HPD^注6） 14秒角という高い解像度を達成した。
⚫︎開発した望遠鏡は太陽フレア観測ロケットFOXSI-4に搭載され打ち上げられ、今後は超小型衛星や小型惑星探査機など小型飛翔体による高解像度宇宙X線観測の基盤技術となることが期待される。

【研究背景】
宇宙では、太陽フレアやブラックホール周辺、超新星爆発や銀河団衝突など、物質が激しく加熱・加速される高エネルギー現象が数多く起こっています。これらの現象では数百万から数億度に達する高温プラズマや相対論的エネルギーを持つ粒子が生成され、その結果としてX線が放射されます。そのため宇宙X線観測は、超高温・超強磁場・超高密度・超強重力などが作り出す極限環境で起こる宇宙の激動を直接的に捉える重要な手段となっています。しかし宇宙から飛来するX線は地球大気によって吸収されてしまうため、地上から直接観測することはできません。そのためX線観測は、人工衛星や観測ロケットなどの飛翔体による宇宙観測によって行われます。
X線天文学では、主に天体からの微弱なX線を効率よく集めるための高い集光力と、天体構造を細かく識別するための高い解像度という二つの性能が望遠鏡に求められます。しかしX線は可視光のように通常の鏡では反射せず、極めて浅い角度でのみ反射するため、X線望遠鏡にはナノメートルレベルの形状精度を持つ特殊な反射鏡が必要となります。特に高い解像度を実現するためには反射鏡の形状精度が決定的に重要であり、このような高精度反射鏡の製作と、その性能を維持しつつ宇宙環境に耐える望遠鏡として実装することは非常に難しい技術課題です。実際に、高い解像度を持つ宇宙X線望遠鏡の開発はこれまで主に欧米の研究機関が主導してきました。そのため、日本のX線天文学分野において国産の高解像度宇宙X線望遠鏡を実現することは長年の重要な挑戦課題の一つとなっていました。

【研究成果】
本研究では、天文学分野と放射光科学分野の技術を融合することで国産の高解像度宇宙X線望遠鏡の開発に取り組みました。天文学分野では、宇宙観測に必要な光学設計に加え、反射鏡支持機構の設計や接着実装などの宇宙実装技術を担当しました。一方、放射光科学分野では、放射光X線光学研究で培われた超精密電鋳技術によるX線反射鏡の作製と、SPring-8の長尺ビームラインを利用した高輝度無限遠点光源模擬評価システムHBX-KLAEES（High-Brilliance X-ray Kilometer-long Large-Area Expanded-beam Evaluation System）の構築が行われました。HBX-KLAEESは、高輝度X線を用いて宇宙の無限遠天体を模擬し、X線望遠鏡の性能を精密に評価するために開発された評価システムです。
完成した望遠鏡（図1参照）の性能評価には、大型放射光施設SPring-8の約1 km長尺ビームラインBL29XUL（図2参照）を活用したHBX-KLAEES図3参照）が用いられました。このシステムでは、約10 µm程度の微小X線光源を約900 m離れた位置に配置することで、天体から到来するX線に近い極めて小さな発散角と、見かけ上ほぼ点光源となる光源サイズを同時に実現しています。さらにSPring-8の高輝度放射光を利用することで、望遠鏡像の中心の鋭い構造から広い散乱成分まで、広いダイナミックレンジでの精密なPSF^注7）測定を可能にしました。このように高輝度硬X線を用いて無限遠天体を模擬し、高解像度X線望遠鏡の性能を精密に評価できる実験システムは世界的にも例がなく、HBX-KLAEESは宇宙X線光学系の性能評価のために開発された独自の研究基盤となっています。

【成果の意義】
この評価システムを用いたX線性能評価の結果、FWHM 0.7秒角、HPD 14秒角という国産として極めて高い性能を達成しました（図4）。 さらに、反射鏡単体の局所的なスポットスキャン測定では10秒角を下回る解像度が確認され、反射鏡自体が非常に高い光学性能を有することが示されました。この高い光学性能を維持したまま、反射鏡を支持機構へ接着実装して望遠鏡として組み上げることに成功し、宇宙観測機器として必要な構造的安定性と光学性能の両立を実現しました。これは国産の宇宙X線望遠鏡として非常に高い性能を示すものであり、約1 km離れた場所にある数ミリメートル程度の物体を識別できることに相当する鋭い視力に例えられます。

本研究で開発した望遠鏡は、日米共同太陽フレア観測ロケット Focusing Optics X-ray Solar Imager 4号機（FOXSI-4） に搭載され、打ち上げに成功しました。本成果は、天文学と放射光科学という異なる分野の技術を融合することで国産の高解像度宇宙X線望遠鏡を実現したものであり、今後、超小型衛星や小型惑星探査機など小型飛翔体による高解像度宇宙X線観測の実現に向けた重要な基盤技術となることが期待されます。

本研究は、名古屋大学全学技術センターの技術支援、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP20K20920、JP21KK0052、JP22H00134、JP22K18274、JP23H00156）、宇宙航空研究開発機構（JAXA）宇宙科学研究所 小規模計画、科学技術振興機構（JST）次世代研究者挑戦的研究プログラム（JPMJSP2125）、東海国立大学機構「メイク・ニュー・スタンダード次世代研究事業」、公益財団法人岩垂奨学会および服部国際奨学財団の支援を受けて実施されました。

【用語解説】

超伝導技術が導く高エネルギー分解能X線吸収分光の新展開
―多面的な精密化学種解析: セシウムを例として―

2026年4月3日
東京大学
日本原子力研究開発機構
立教大学
理化学研究所
東京都立大学

発表のポイント
◆超伝導転移端検出器（TES）を用いた高エネルギー分解能の蛍光X線分析により、X線吸収スペクトルのより微細な構造を検出し、セシウムの化学状態を詳細に推定しました。
◆比較的高いエネルギー領域において、TESのようなエネルギー分散型の検出器を用いることで、高エネルギー分解能のX線吸収スペクトルを得たのは今回が初めてです。
◆本手法は様々な元素に適用することができ、迅速かつ高精度な化学種解析により、特に存在量の少ない微量元素についての化学状態分析が可能になると期待されます。

XANES法は着目元素の化学状態を調べられるため、材料化学、触媒化学、地球環境化学などをはじめとする様々な分野で広く用いられています。近年、非常に高いエネルギー分解能で蛍光X線を測定することで、従来のXANESよりも鋭いピークを持つ高エネルギー分解能蛍光検出XANES （以下、HERFD-XANES）^（注4）スペクトルが得られ、これにより通常のXANESでは検知できない微細な化学状態の違いを見分けられることがわかってきました。一方、蛍光X線を高エネルギー分解能で検出するために通常利用される結晶分光法では、一度に検出できるエネルギー範囲が狭く、測定時間や測定前の調整に長い時間がかかるという課題がありました。そこで本研究では、今回の測定に必要な2 keV程度の幅広いエネルギー範囲を一度に検出できるTESに着目しました。測定したCsの蛍光X線は5 keV程度であり、このエネルギー帯でのTESを用いた高エネルギー分解能測定によるXANES測定は世界初です。測定は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL37XUにて行いました。
Cs含有試料にX線を照射し、吸収端^（注5）の前後で入射X線のエネルギーを少しずつ変化ながら、蛍光X線をTESで検出しました。これにより、入射X線エネルギー、発光X線エネルギー、そして発光X線の強度、の三次元のデータを1回の測定で得ることができました（図1a）。この三次元データを水平方向に切り取ることでHERFD-XANESスペクトルを得ることができ、一方、この三次元データを垂直方向に切り取ることでX線発光スペクトル（以下、XES）^（注6）を得ることができます。

HERFD-XANESスペクトルでは、Cs化合物に応じて異なる特徴が見られました（図2）。これらの違いはCs化合物の結合性の違いに由来すると考えられます。Cs化合物間の違いは、XESスペクトルでも確認されました。蛍光線Lβ1のXESスペクトルの強度をLα1の強度で規格化したところ、各化合物の求核性定数 E_n と強い相関が見られました（図3）。E_n は共有結合性を定量化した指標であるため、今後、未知試料についても測定を行うことで共有結合性の定量ができると考えられます。こういった化合物間の違いは、RIXSマップ（図4）でも見られました。

これらの結果から、1回の測定で得られる三次元データを様々な切り口で解析していくことで、Csの化学状態をより精密に調べられることがわかりました。従来の手法では、図1aに示したエネルギー範囲のデータを得るには2週間程度の測定時間が必要ですが、今回の手法では、わずか1時間でデータを取得することができました。この手法はCsだけに留まらずあらゆる元素に適用することができます。特に、TESの高いエネルギー分解能は高い元素選択性に繋がるため、存在量が少なくこれまで測定が難しかった微量元素などの化学状態解明が進むことが期待されます。

発表者・研究者等情報
東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻
　高橋 嘉夫 教授（兼：東京大学 アイソトープ総合センター センター長）
日本原子力研究開発機構 システム計算科学センター AI・DX基盤技術開発室
　山口 瑛子 研究副主幹（兼：東京大学 大学院理学系研究科 客員共同研究員）
　奥村 雅彦 研究主幹
立教大学 大学院理学研究科 物理学専攻
　山田 真也 准教授
理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 中間子理研ECL研究チーム
　橋本 直 理研ECL研究チームリーダー（兼：理化学研究所 開拓研究所 橋本中間子理研ECL研究チーム 理研ECL研究チームリーダー）
東京都立大学 理学研究科 化学専攻
　奥村 拓馬 准教授

研究助成
本研究は、科研費「挑戦的研究(萌芽)（課題番号：JP19K21893）」、「挑戦的研究(萌芽)（課題番号：JP21K18917）」、「若手研究（課題番号：JP23K17034）」、「若手研究（課題番号：JP25K21378）」の支援により実施されました。

謝辞
本研究で行った解析は、理化学研究所が設置する大型放射光施設SPring-8のビームラインBL37XUにおいて、公益財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）の承認のもとで実施しました（課題番号：2019A1523, 2021B1790, 2022B1523, 2023A1455, 2023A1455, 2023B1492, 2024A1484, 2024A1446, 2024A1486, and 2024A1483）。また、第一原理計算は日本原子力研究開発機構のスーパーコンピュータシステムHPE SGI8600を用いて行いました。実験の実施にあたり、BL37XU担当者の関澤央輝氏、新田清文氏ならびに本実験に関わった多くの研究者の皆様に感謝いたします。

【用語解説】

ガラスにならない酸化アルミニウムを透明な非晶質の塊に
〜5配位ピラミッドと6配位八面体からなる超高密度構造と結晶を超える誘電率を高圧力で実現〜

2026年4月7日
学校法人工学院大学
国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)
国立大学法人京都大学
国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学
日本電子株式会社
国立大学法人東北大学
国立大学法人島根大学
岡本硝子株式会社
国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)
J-PARCセンター
公益財団法人高輝度光科学研究センター

研究の要点
* 酸化アルミニウム（アルミナ）を、室温・超高圧でミリメートル級の高密度なガラス状材料として形成
* 硬さ・熱特性・電気特性を併せ持つ新非晶質材料として、電子・機械分野での材料選択肢拡大に期待
* 高圧による緻密化を通じて性質を調整できる可能性を示し、構造制御による材料設計指針を提案

研究の背景
　酸化アルミニウム（Al₂O₃、アルミナ）は、高強度、化学安定性、耐摩耗性、耐食性、電気絶縁性などの優れた物性を併せ持ち、セラミックス基板、半導体製造装置部品、自動車排ガス触媒、工業用研磨材、耐火材などの幅広い産業分野で利用されています。アルミナの多くは原子が規則正しく配列した結晶ですが、一部は原子配列に規則性を持たない非晶質（アモルファス）^※1のアルミナです。アルミニウム金属を電気化学的に酸化すると薄膜状の多孔質非晶質アルミナが得られ、電子部品、コーティング材などとして利用されています。身近な日用品（やかん、鍋、弁当箱など）の表面にも耐食・耐久性向上を目的に非晶質アルミナ膜が形成されています（アルマイト処理）。一方、代表的な非晶質材料といえばガラス^※2（窓ガラスのような厚みのある塊（バルク）状態の非晶質物質）ですが、アルミナは古くから「ガラスにならない酸化物」とされ、従来の溶融法ではガラスを作ることはできません。そのため、非晶質アルミナの研究は薄膜・多孔体・ナノ粒子に限定され、緻密なバルク非晶質アルミナを合成することはできませんでした。

研究内容と成果
　本研究では、電気化学的に作製した多孔質非晶質アルミナ薄膜に対して、室温で高圧力を印加し（高圧合成^※3）、粒子界面および孔を消失させることで、ミリメートルサイズの緻密なバルク非晶質アルミナを合成しました。ダイヤモンドアンビルセルによるその場観察では、加圧に伴う粒子の粉砕・再配列と、一定圧力以上での粒子境界の消失が確認され、さらにベルト型高圧装置を用いて室温で高圧（9.4 GPa：9万4千気圧）を印加することによりバルク試料の合成に成功しました（図1）。

得られたバルク非晶質アルミナは、加圧による密度の上習に加えて、ガラス状材料としては高い熱伝導率と硬さを示しました。さらに、誘電率（比誘電率）^※4が約11.3と高い値を示し、結晶のα‐Al₂O₃（サファイア）を上回りました（図2）。誘電率の周波数依存性は小さく、室温付近では誘電損失(tanδ)が低いことから、高密度化により高速な分極応答が高められていることが示唆されました。
　物性の起源となる構造を明らかにするため、²⁷Al 固体核磁気共鳴分光法(NMR)、量子ビーム回折^※5（大型放射光施設SPring-8(BL04B2)の放射光X線回折およびJ-PARC・MLF(BL21)の中性子回折）を用いた実験と、回折データとNMRで得られた配位数^※6の比率を同時に再現する構造モデリングを実施しました。その結果、非晶質アルミナの主要構造単位が、一般的なガラスに見られる四面体(AlO₄)や結晶に見られる八面体(AlO₆)に加えて、「八面体から酸素頂点が一つ欠けたような歪んだピラミッド形状」の5配位多面体(AlO₅)であることを見いだしました（図3左）。さらに加圧によってAlO₆八面体が増え、AlO₅ピラミッドがより歪むとともに、AlO₅/AlO₆が稜共有^※7で連結した結晶の様な高密度マトリクスが形成されることが示されました（図3右）。研究チームは、この歪んだAlO₅が電場に対して変形しやすい「不安定な局所構造単位」として働き、AlO₆の増加との相乗効果で高い誘電応答をもたらすというモデルを提案しました。すなわち、今回の高誘電率は「組成」ではなく「密度による局所配位と中距離構造（稜共有マトリクス）の制御」によって実現された点に特徴があります。

今後の展開
　本研究は、100年以上にわたり常識とされてきた「アルミナはガラスにならない」という限界を打ち破る挑戦から始まり、試行錯誤を重ねた結果、アルミナをガラス状の塊として得るという画期的な成果に到達しました。さらに、高圧による緻密化を通じて材料の構造を制御し、優れた物性を引き出せる可能性を示しました。これは最先端の高圧合成、物性計測、構造解析技術の高次元での連携により実現した成果であり、物質・材料探索に新機軸を打ち出すものです。今後は、本手法を一般化し、新規材料の合成を進めていきます。得られた知見が蓄積され、将来的な理論計算やデータサイエンスとの連携が進むことで、今までにない構造と物性を示す革新的な材料の発見・開発につながっていくことが期待されます。

【用語解説】

放射光実験の大容量データの即時圧縮技術を開発
－SPring-8のデータを8,600分の１に圧縮－

2026年4月3日
理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人東北大学

背景
大型放射光施設では、物質中の原子や分子の構造や運動を高精度に観測するため、検出器の高速化・高精細化が急速に進んでいます。時間変化を捉える測定では、1秒間に数万枚の画像を取得する必要があり、1回の実験で生成されるデータ量は飛躍的に増大しています。
本研究で対象としたQEGS実験では、84万画素の検出器を17.4kHzで動作させることで、ナノ秒（10億分の1秒）スケールの原子・分子の動きを観測します。その結果、1週間当たり19PBもの大容量データが発生します。
従来のビームライン計算機環境では、このようなデータをそのまま保存・転送・解析することは現実的に難しく、解析には数日以上を要することもありました。そのため、実験中に結果を確認して測定条件を最適化することが困難でした。
さらに、SPring-8-IIでは光源の高輝度化に伴ってデータ量はさらに増加し、EB級に達すると見積もられています。このため、取得後にまとめて処理する従来の運用から、取得と同時に処理して結果を返すデータ処理基盤への転換が不可欠です。

研究手法と成果
本研究では、検出器から出力される毎秒27GBのデータをそのまま保存するのではなく、データ生成直後に前処理と可逆圧縮を行う新しいアプローチを採用しました。具体的には、FPGAデータ処理基板に搭載したFPGA（書き換え可能な半導体回路）上で、画素ごとの背景信号を補正し、ノイズを除去するしきい値処理、短時間に連続して得られる画像を統合する処理を実行するようにしました。これらの処理により、科学的に意味のある信号を保ちながら、重複した情報や信号以外の成分を減らしました。その結果、データの情報量（エントロピー）を低減でき、後段の可逆圧縮の効率が大きく向上しました。
FPGAで前処理されたデータは、ビームラインの計算機において可逆圧縮を施しました。その結果、平均約8,600分の1という高い圧縮率を達成し、実際の1週間の実験では約19PBの元データを約2.2TBまで削減しました。圧縮後のデータはSPring-8内のデータセンターへ自動転送され、取得から2〜3分以内に保存されます。この可逆圧縮処理により、転送に必要なネットワーク帯域も大幅に削減されました。
データセンターでは、高性能計算機（HPC）を用いた並列解析を行います。SPring-8データセンターではHPC利用基盤としてOpen OnDemand^[6]が導入されており、本研究ではその既存基盤の上に、QEGS実験専用の解析アプリケーション群を構築しました。これにより、専門的なコマンド操作を必要としないウェブブラウザベースの解析環境を実現しました。
本研究の成果は、高効率な圧縮技術の実現にとどまらず、検出器によるデータ生成から、FPGAによる前処理、可逆圧縮、転送、高性能計算機による並列解析、さらにウェブブラウザから利用可能な解析環境までを一体化した統合データ処理基盤（図1）を、実際のユーザー実験で運用し、その有効性を実証した点にあります。

今後の期待
本研究で構築したデータ処理基盤は、放射光科学における「測定後に解析する」運用から「測定しながら解析する」運用への転換を可能にしました。これにより、実験中に結果を確認しながら測定条件を最適化できるようになり、研究効率の向上が期待されます。
SPring-8-IIではEB級データが見込まれており、本研究の統合データ処理基盤はその中核基盤技術となります。
さらに共同研究グループは、1日当たり約30PBのデータ生成が見込まれる半導体向けX線タイコグラフィー顕微鏡^[7]への応用にも取り組んでいます。タイコグラフィーでは、ナノメートルレベル（nm、1nmは10億分の1メートル）の分解能で3次元再構成を行うため、QEGSを上回る大容量データが発生します。本研究の即時圧縮・転送・並列解析の技術は、こうした次世代X線計測の実現に不可欠な基盤となります。
本研究のデータ処理技術は、放射光施設やX線自由電子レーザー（XFEL）^[8]に特有のものではなく、高速かつ高解像度な検出器から大量の画像データが出力される計測装置に広く応用できる可能性があります。大容量データの処理は多くの先端計測分野に共通する課題であり、本技術はその解決を支える基盤技術として期待されます。

共同研究グループ
理化学研究所　放射光科学研究センター
　制御情報・データ創出基盤グループ
　　グループディレクター　初井宇記　（ハツイ・タカキ）
　　特別研究員（研究当時）　平木俊幸　（ヒラキ・トシユキ）
　エンジニアリング部門　エンジニアリングチーム
　　テクニカルスタッフⅠ　尾﨑恭介　（オザキ・キョウスケ）
　　テクニカルスタッフⅠ　本城嘉章　（ホンジョウ・ヨシアキ）

高輝度光科学研究センター
　研究DX推進室
　　主幹研究員　西野玄記　（ニシノ・ハルキ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　　室長　城地保昌　（ジョウチ・ヤスマサ）
　　（理研　放射光科学研究センター　ビームライン制御解析チーム
　　チームリーダー）
　加速器部門　加速器制御グループ　機器制御チーム
　　チームリーダー　山鹿光裕　（ヤマガ・ミツヒロ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　分光・イメージング推進室　精密分光チーム
　　特任研究員　依田芳卓　（ヨダ・ヨシタカ）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　　研究員　永澤延元　（ナガサワ・ノブモト）
　　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）

東北大学　大学院理学研究科　物理学専攻
　准教授　齋藤真器名（サイトウ・マキナ）
　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員（研究当時））
　大学院生（研究当時） 小林　正　（コバヤシ・マサシ）
（理研　放射光科学研究センター　研修生（研究当時））

研究支援
本研究は、理化学研究所放射光科学研究センターSACLA/SPring-8基盤開発プログラム2022-2023によるサポートを受けて実施され、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（B）「ガラスの力学特性を支配するJohari-Goldstein緩和過程の普遍的機構の解明（研究代表者：齋藤真器名、JP24K00592）」、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「階層的時空構造と動的不均一性から紡ぐナノ力学機構の理解と制御（研究代表者：山本潤、JPMJCR2095）」の助成を受けて行われました。
本研究で用いたFPGAデータ処理基板は、理化学研究所と東京エレクトロン デバイス株式会社が共同で開発しました。
また、本研究におけるデータ処理基盤の構築は、グローリーテクニカルソリューションズ株式会社および日東コンピューターサービス株式会社の協力を得て実施しました。

【補足解説】