Thundercloud Project
雷雲からのガンマ線放射イベントを見つけよう。
観測データを分類する

雷雲プロジェクトの概要

1. 雷雲は天然の「粒子加速器」

地球には宇宙から絶えず目に見えない高エネルギーの粒子(宇宙線)が降り注いでいます。宇宙線は、遥か彼方のブラックホールや中性子星、超新星残骸などの特殊な環境で発生すると考えられています。そのような環境において、電子や陽電子が人類では作り出すことができないほどのエネルギーまで「加速」され、生み出されているようです。

ところが最近の研究から、地球上のカミナリ雲でも電子が高いエネルギーにまで「加速」されている証拠が見つかってきました。加速された電子が大気分子と衝突することで生じるガンマ線がカミナリ雲からビーム状に放出されていることがわかったのです(図1)。しかし、カミナリ雲の中というありふれた環境において、どのように「加速」が起こるのかはよくわかっていません。さらに、私たちの観測によって、ガンマ線だけでなく高エネルギーの電子が瞬間的に大量に生じている兆候も見えています。どうやら、まだまだ未知の現象がカミナリ雲に潜んでいるようです。

私たちは普段は人工衛星を用いて中性子星や白色わい星といった極めて特殊な天体の研究をしているのですが、本プロジェクトでは宇宙物理の研究で培った検出装置の製作技術を活かし、地球上のカミナリ雲で生じている高エネルギー現象を観測したいと思っています。

雷雲における粒子加速現象についてのより詳しい説明は、以下のウェブサイトを参照してください。

図1. 雷雲内で電子が加速され、ガンマ線が放出される様子。

2. データの分類に参加しよう

検出器システムと得られるデータ

雷雲での粒子加速事象を捉えるために、本プロジェクトではガンマ線と高エネルギー電子を検出するための検出器システム(図2)を開発し、北陸地方の屋外で観測運転をすることでガンマ線や電子の到来数を時々刻々計測しています。多くの時間帯は、宇宙線や周囲に存在する天然の放射性元素に由来する環境放射線が検出されるだけで、単位時間あたりの計測数は「統計誤差」の範囲内でほぼ一定になります。

まれに、粒子加速現象をともなう雷雲が検出器の上空を通過すると、単位時間あたりの計測数が、環境放射線の計測数から急激に上昇することが期待されます(図3)。雷雲は上空の風によって移動し、1分程度で粒子加速領域が検出器の上空を通りすぎるため、計測数の上昇は約1分程度で収まり、計測数はもとの環境放射線の値に戻ります。このような単純な増加・減少の特徴だけであれば、コンピュータプログラムを用いて一律の条件でデータを解析すれば、雷雲由来の計測数増加イベントを自動的に抜き出すことができます。

図2. 自分たちで製作したガンマ線・電子検出システム。観測データはHDDに記録され、さらに携帯電話回線経由で解析サーバに伝送される。

雷雲ガンマ線が検出される際の計測数の「特徴的な変動」

ところが過去の観測から、雷雲からのガンマ線が観測される際の計測数の増加・減少の時間変化のしかたは、ひじょうに多様であることがわかっています。計測数最大の時間に対して前後対称な増加・減少の形状を示すもの、雷放電に同期してガンマ線放射が急に減少するもの、その逆に雷放電に同期してガンマ線放射が急に増加するもの、などです。これらの複雑な時間変化の特徴は、コンピュータによる自動解析だけでは抜き出せない可能性があるため、大量の観測データに隠れた貴重なイベントを見逃さないように、人の目で一つ一つデータを確認することが重要です。

このウェブサイトでは、みなさんの目で雷雲起源のガンマ線計測数増加の有無をチェックしてもらい、本プロジェクトのデータ解析に貢献してもらうことができるよう、検出器システムで得られたガンマ線・高エネルギー粒子の計測数の時系列データを公開しています。データのチェックと結果の報告は1データセットあたり3クリックで完了します。複数のチェック結果を統計的に処理することで、特徴的な計測数の増加があるデータが抽出できます。データ中に雷雲起源のガンマ線計測数増加らしい特徴がある場合、研究者が詳細な解析を進めます。

図3. [左] 環境放射線や宇宙線のみが検出されているデータの例。 [右] 雷雲起源のガンマ線や電子によって期待される計測数の変化(予想図)。

空カメラと、その画像に写っているもの

雷雲ガンマ線検出器には、空の様子を定期的に撮影している「空カメラ」も搭載されています。夜間の撮影はできないのですが、もしも昼間に雷雲からのガンマ線放射イベントが発生した時には、そのときの雲の様子や風向きを調査できるようになっています。データの分類の際には、空カメラの画像の天気(もしくは夜かどうか)も分類していただきます。以下の写真はある検出器の空カメラの画像のサンプルです。夜間の画像には、たまに月が視野内に写りこんでいるので、見ることができた方はラッキーです。時間帯によっては飛行機雲も写ります。(月や飛行機雲が見えているということは雷雲が出ていないので、もともとの目的である雷雲ガンマ線は検出できませんが...)

図4-1. 風向計と屋上の鉄柵。
図4-2. 夜間の画像。青色は検出器自身の動作ランプ、黄色い丸は月。
図4-3. 降雨時の画像。
図4-4. 降雪時の画像。

観測データを分類する

総データ量: 3706 シーン (1853.0時間分)

総分類数:0000シーン (0000時間分)

ガンマ線/宇宙線のカウント数の時系列データ

観測装置 観測開始
設置場所 観測終了

1. 時系列データを分類してください

「特徴的な時間変動」が

参考: 「特徴的な時間変動」とは?

2. 天候を分類してください

参考: 空カメラには何が写っていますか?

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チーム

榎戸輝揚

Teruaki Enoto

京都大学 / Kyoto University

 

湯浅孝行

Takayuki Yuasa

元 理化学研究所 / Ex RIKEN

 

土屋晴文

Harufumi Tsuchiya

理研・原研 / RIKEN-JAEA

和田有希

Yuuki Wada

東京大学 / University of Tokyo

中澤知洋

Kazuhiro Nakazawa

東京大学 / University of Tokyo

中野俊男

Toshio Nakano

理化学研究所 / RIKEN

古田禄大

Yoshihiro Furuta

東京大学 / University of Tokyo

松元崇弘

Takahiro Matsumoto

東京大学 / University of Tokyo

活動履歴と成果発表

活動履歴
2017年07月18日夏季観測の一環で富士山山頂測候所に観測装置を設置
2017年07月13日夏季観測の一環で東京大学宇宙線研究所 乗鞍観測所に観測装置を設置
2017年04月12日新潟県柏崎市での観測を完了
2017年04月07日 京都大学の 平成29年度「知の越境」融合チーム研究プログラム (SPIRITS) 採択 (研究代表者: 榎戸)
2017年03月21日石川県珠洲市での観測を完了
2016年12月01日石川県珠洲市に観測装置を追加設置
2016年10月10日冬季観測に向けて石川県金沢市・小松市の5箇所に観測装置を設置
2016年09月01日 高速ADCを搭載したFPGAボードを開発完了。 使い方を紹介するウェブサイトを公開
2016年07月15日夏季観測の一環で富士山山頂測候所に観測装置を設置
2016年07月11日 夏季観測の一環で東京大学宇宙線研究所 乗鞍観測所に観測装置を設置
2016年04月01日 科学研究費補助金・若手研究(A) (研究代表者: 榎戸) 採択
"冬季雷雲の放射線マッピング観測で解明する雷雲電場による粒子加速と高エネルギー現象"
2016年01月07日金沢大学付属高校にも観測装置を設置
2015年11月13日金沢大学角間キャンパスに観測装置を設置
2015年10月15日 学術系クラウドファンディングサイト「アカデミスト」で研究資金を獲得
成果発表リスト
2017年12月13日 American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting, Atmospheric and Space Electricity, AE31A-03,
Wada et al, " Initial results from a multi-point mapping observation of thundercloud high-energy radiation in coastal area of Japan sea"
2017年12月08日 平成29年度 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究 成果発表会,
"可搬型検出器による雷雲由来の電子加速と高エネルギー現象の多地点観測", (和田有希)
2017年11月23日 【論文】
T. Enoto, Y. Wada, Y. Furuta, K. Nakazawa, T. Yuasa, K. Okuda,
  K. Makishima, M. Sato, Y. Sato, T. Nakano, D. Umemoto & H. Tsuchiya,
"Photonuclear reactions triggered by lightning discharge", Nature, 551, 481–484
2017年09月15日 日本物理学会 秋季年会,
2017年05月22日 日本地球惑星科学連合 2017年合同大会,
2017年03月19日 日本物理学会 春季年会
2017年02月28日 MeV ガンマ線天文学研究会(於 京都大学), "雷雲電場による電子加速のガンマ線観測コラボレーション", (榎戸輝揚)
2016年12月10日 平成28年度 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究 成果発表会, "雷雲電場による電子加速の観測的研究", (榎戸輝揚)
2016年05月23日 日本地球惑星科学連合 2016年合同大会, " 冬季雷雲のガンマ線測定を狙う多地点観測システムの新規開発", (榎戸輝揚)
2016年03月21日 日本物理学会 春季年会, " 雷雲ガンマ線の多地点観測に向けた検出装置の小型化と2015年度冬季における北陸地方への展開", (和田有希)