早大理工、2024年度から導入

全国の高等専門学校生を対象とする新たな編入学制度（指定校推薦）を開始

早稲田大学（東京都新宿区、総長：田中愛治、以下、早大）は、早大理工系の三学部（基幹理工学部・創造理工学部・先進理工学部、以下、早大理工）にて、工学系の学科・コースを有する全国の高等専門学校（以下、高専）に在籍する専門学校生を対象とした新たな編入学試験制度（指定校推薦、以下、新入試制度）を、2024年度より導入いたします。

【新入試制度概要】

制度名称：高等専門学校対象編入学試験（指定校推薦型）
実施学部：基幹理工学部、創造理工学部、先進理工学部
入学時期：2024年4月1日
試験方式：学校推薦型選抜（指定校推薦型入試）
編入年次：２年次または３年次（学科によって異なります）【下表参照】。
募集人員：各学科 若干名
募集学科：

推薦依頼指定校：早大内部基準に従って、学部ごとに毎年選出します。
推薦依頼時期：2023年1月中旬
※選考日程、出願可能な早大理工の学部・学科等の情報は、対象となる推薦依頼指定校に個別に伝達しています。

１．新入試制度導入の背景

早大は、創立150周年である2032年を見据えた中長期計画「Waseda Vision150」を策定し、その教旨で謳われている「学問を活用」する力を備えた「模範国民の造就」を一層進めるべく、教育研究の改革を進めています。早大の教旨における「模範国民」とは、地域や国内というローカルな場から、アジアや世界というグローバルな場に渡る様々なレベルにおいて、複雑化する現代の課題解決に挑む、叡智・志・実行力を兼ね備えた人材を指します。

早大が建学以来取り組んできたこのような人材育成をさらに加速するためには、高い志を持った優秀な学生を募集していく必要があります。新型コロナウイルスや地球温暖化など、明確な答えのない問題への対応が一層求められている現在、変化に対して受け身ではなく、主体的に関わりながら自ら問題を解決できる人材を育成するためには、多様なバックグラウンドを持つ入学者の選抜を実施することが必須と考えています。

早大は入試改革を「Waseda Vision150」における13の核心戦略のトップに据え、真に求める人材に入学してもらうべく検討と実践を継続的に推進しています。

２．新入試制度の目的

早大理工では、入試改革の具現化の一環として、新入試制度を導入することとしました。目的は以下の通りです。

• 高等学校普通科出身の学生等とは異なる経験・技能を有する高専生を幅広く受け入れることによって、学生間の交流による相乗効果を高めていきます。
• 早大の教育・研究リソースによって、理工系の専門家を志向する高専生が持つ潜在能力や将来の可能性を開花させていきます。
• 高度な人材を輩出している高専と信頼関係を構築することによって、高専における早大理工の存在感を高めていきます。

３．新入試制度の目標

早大理工は、新入試制度の導入によって毎年一定数の高専生を幅広く受け入れることを目指しています。これによって成し遂げたい目標は以下の通りです。

• 全国に設置されている高専に指定校枠を幅広く設け、首都東京の新宿にキャンパスが位置し、ダイバーシティに富み、奨学金制度や学生寮が充実する早大理工で学ぶ意欲を抱く優秀な学生を推薦していただくことで、入学者の出身地域の多様性の確保を目指していきます。
• 大学編入を希望している高専生にとって、早大理工への編入が自身の未来を拓く魅力的な選択肢として位置付けられることを目指していきます。
• 編入生の受け入れを出発点として、高専の教員との交流に発展させ、強い連携体制の構築を目指していきます。

４．２年次編入について

早大理工が実施している教育の全体的な特徴は、大学院への進学を前提とした高度な専門教育を入学後比較的早い段階から実施していることにあります。また、早大理工の各学科では、標準的な専門科目に加えて他大学の理工系学科では設置されていない学科独自の専門科目を、所属学生の専門性を高めるために多数用意しています。

新入試制度を設けるにあたり、早大理工は、上述した専門教育の特徴、受入学科の学問分野、受入学科と高専学科のカリキュラムの連続性を考慮したり、高専生が編入前に高専で取得した単位を、早大入学後の学部卒業単位としての認定を積極的に精査したりするなど、各学科のカリキュラムに合わせて編入した高専生の育成を第一に制度設計を行いました。そのため、編入学は３年次からが一般的ですが、新入試制度では導入する９学科のうち7学科で「２年次編入」としました。

５．出願資格

在籍学校長が人物、学業ともに優れていると認めるもので、以下、a ～ e のすべてを満たす者。

a. 推薦依頼のあった高等専門学校の学科・コースに在籍し、2024年3月に高等専門学校(本科)を卒業見込の者。
b. 推薦を依頼する早大理工の学部・学科への入学を第一志望とする者。
c. 入学後の勉学に関して明確な志向と意欲を持ち、それにふさわしい能力を備えた者。
d. 出願開始日から起算して、過去2年以内に受験したTOEFL-iBT（TOEFL-ITPは不可）、
IELTS（Academic Module）、TOEIC（IP、Speaking & Writingは不可）の内いずれかのスコアを出願期間内に提出可能な者。
e. 学業成績において、次の基準を満たす者。
① 4年次の学年の学科現員に対する学業成績の席次が、上位10％以内の者
② 席次を定めない高等専門学校では、在籍学校長が①と同等と認めて推薦する者

以上

Introduction​

Faculty of Science and Engineering, WASEDA UNIVERSITY (Video)		Nishi-Waseda Campus (4K Drone View)
VR Campus Tour – Nishi-Waseda Campus

Research

1 minute video – Material Characterization Central Laboratory		1 minute video – Waseda’s Robot Research
under construction		under construction
1 minute video – TWIns		1 minute video – Wave Basin
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Education

1 minute video – Science and Engineering Library		1 minute video – Laboratories for Basic Experiments (Chemistry)
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1 minute video – Laboratories for Basic Engineering Experiments		1 minute video – Laboratories for Fruid and Control Engineering
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1 minute video – Manufacturing Laboratory		1 minute video – Materials Engineerign Laboratory
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1 minute video – Architecture Design Studio
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Campus Life

1 minute video – Faculty of Science and Engineering Cafeteria		1 minute video – Rohm Square Cafeteria
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1 minute video – Coffee Shop		1 minute video – Learning Space
under construction		under construction
1 minute video – Waseda Monodukuri Workshop (Waseda FabLab)
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Nishiwaseda Campus

1 minute video – Nishiwaseda Campus		1 minute video – Court Yard
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1 minute video – Okuma Statue		1 minute video – Shuttle Bus
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Topics

Entrance Ceremony (2019 April)		Graduation Ceremony (2019 March)
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Entrance Ceremony (2018 September)		Open Campus 2018 – Student Life Introduction
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Message from Student		For a Brighter Tomorrow
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Mock Lecture

Major in Physics “Introduction to Cosmic Rays and the CALET Space Mission		Major in Chemistry “Sustainable Chemistry for Humanity”

Research​​

Waseda Researcher – Yasuhiro Hayashi		Waseda Researcher – Yasushi Sekine
Waseda Researcher – Suguru Noda		Waseda Researcher – Michiaki Hamada
Waseda Researcher – Takao Aoki
Yamaguchi Lab – Department of Applied Chemistry		Hayashi Lab – Department of Electrical Engineering and Bioscience

 

Mock Lecture

Department of Civil and Environmental Engineering “Tsunamis and Storm Surges: Introduction to Coastal Disasters”		Major in Civil and Environmental Engineering “Disaster prevention & mitigation for sustainable society”

Research

Waseda Researcher – Chiharu Tokoro		Waseda Researcher – Hiroyasu Iwata
Shibayama Lab – Department of Civil and Environmental Engineering		Takizawa Lab – Department of Modern Mechanical Engineering

 

Mock Lecture

Major in Mathematics “Mathematics in Action”		Major in Computer Science and Communications Engineering “A mini- introduction to information theory: What is the weight of information?”

Research

Waseda Researcher – Toshiyasu Matsushima and Manabu Kobayashi, Center for Data Science		Waseda Researcher – Tetsuya Ogata
Waseda Researcher – Katsumi Watanabe		Waseda Researcher – Hironori Washizaki
Shimizu Lab – Department of Computer Science and Engineering		Hashida Lab – Department of Intermedia Art and Science

 

Researchers successfully record the phase distribution of electrons, unveiling the detailed structure of its complex wavefunction

The structure, dynamics, and functions of materials are predominantly determined by their constituent electrons. Owing to their quantum nature, electrons have “wave”-like characteristics. However, measuring the phase of an electron and its complex electron wavefunction is challenging. Using state-of-the-art attosecond technology, researchers at Waseda University and National Research Council of Canada have now successfully recorded the phase distribution of electrons ejected from a neon atom, allowing a complete, detailed visualization of the complex electron wavefunction.

The early 20^th century saw the advent of quantum mechanics to describe the properties of small particles, such as electrons or atoms. Schrödinger’s equation in quantum mechanics can successfully predict the electronic structure of atoms or molecules. However, the “duality” of matter, referring to the dual “particle” and “wave” nature of electrons, remained a controversial issue. Physicists use a complex wavefunction to represent the wave nature of an electron. “Complex” numbers are those that have both “real” and “imaginary” parts—the ratio of which is referred to as the “phase”. However, all directly measurable quantities must be “real”. This leads to the following challenge: when the electron hits a detector, the “complex” phase information of the wavefunction disappears, leaving only the square of the amplitude of the wavefunction (a “real” value) to be recorded. This means that electrons are detected only as particles, which makes it difficult to explain their dual properties in atoms.

The ensuing century witnessed a new, evolving era of physics, namely, attosecond physics. The attosecond is a very short time scale, a billionth of a billionth of a second. “Attosecond physics opens a way to measure the phase of electrons. Achieving attosecond time-resolution, electron dynamics can be observed while freezing molecular motion,” explains Professor Hiromichi Niikura from the Department of Applied Physics, Waseda University, Japan, who, along with Professor D. M. Villeneuve—a principal research scientist at the Joint Attosecond Science Laboratory, National Research Council, and adjunct professor at University of Ottawa—pioneered the field of attosecond physics. Niikura and Villeneuve had previously developed a breakthrough method, attosecond re-collision, and also demonstrated the imaging of a molecular orbital or electron wavefunction in a molecule.

In a recent study published in Volume 106 Issue 6 (2022; page 063513) of Physical Review A on 23 December, 2022, these researchers employed another approach involving attosecond physics, using an attosecond laser pulse, or high-harmonic generation, to visualize a complex wavefunction. The attosecond laser pulse consists of coherent light with a wavelength much shorter than ultra-violet, referred to as extreme ultra-violet (EUV) light. When this pulse irradiates a gas, an electron is ejected. This process is referred to as photoionization. The attosecond pulse consists of a set of “harmonics” or different colors of light. By controlling the generation of the attosecond pulse, the researchers isolated two photoionization pathways—one consisting of a particular harmonic, and the other consisting of another harmonic along with an infrared pulse—to ionize neon. The electron wavefunctions produced by both pathways can interfere with each other. The interference pattern varies with the attosecond delay between the harmonics and the IR pulses. The team determined the phase and amplitude distributions of the photoelectron from the interference pattern and visualized its complex wavefunction. As the energy resolution is smaller than the bandwidth of the attosecond pulses, the researchers were successful in visualizing the detailed wavefunction structure. Furthermore, the researchers developed a method of disentangling the measured wavefunction into wavefunctions that are produced by individual ionization pathways.

Now that the researchers have successfully visualized the complex wavefunction of an electron—something that cannot be seen through conventional photoelectron spectroscopy—there’s so much more they can achieve! Niikura says, “Nowadays, photoelectron spectroscopy using EUV and X-ray has become a basic tool for investigating structures and dynamics of materials. The present method will provide a way to elucidate the quantum properties of electrons.” Visualizing the complete, detailed, complex electron wavefunction will be of significant impact in the fields of nanotechnology, chemistry, and molecular biology.

Reference

Authors: Takashi Nakajima¹, Tasuku Shinoda¹, D. M. Villeneuve² and Hiromichi Niikura¹
Title of original paper: High-resolution attosecond imaging of an atomic electron wavefunction in momentum space
Journal: Physical Review A
DOI: 10.1103/PhysRevA.106.063513
Latest Article Publication Date: 23 December, 2022
Affiliations: ¹Department of Applied Physics, Waseda University, Japan
²Joint Attosecond Science Laboratory, National Research Council and University of Ottawa, Ontario, Canada

Image

Image title: Visualizing complex photoelectron wavefunctions using attosecond imaging technology
Image caption: Researchers measure the phase and amplitude of the complex electron wavefunctions (a,b), represented by color (or hue) for phase and brightness (or value) for amplitude (plotted in logarithmic scale), in the hue-saturation-value (HSV) color map, as shown in (c).
Image credits: Hiromichi Niikura from Waseda University
License type: Original content

About Professor Hiromichi Niikura from Waseda University

Hiromichi Niikura is a Professor at the Department of Applied Physics, Waseda University. He obtained his bachelors from Kyoto Institute of Technology, masters from Graduate School of Kyoto Institute of Technology, and Ph.D. from Graduate University for Advanced Studies, Institute for Molecular Science, Japan. His research focuses on atomic, molecular, and optical (AMO) physics. He has worked at National Research Council of Canada (2000-2009), where he conducted a pioneering work in attosecond physics, a new emerging field. Niikura was awarded the prestigious Japan Society for Promotion of Science (JSPS) award in 2012. Professor Niikura can be contacted at [email protected].

演題：Recent advances on the mathematical analysis of Einstein’s field equations of general relativity

 

日時：2023年1月28日(土)15時00分～17時00分

 

会場：西早稲田キャンパス　55号館　N棟　2階　第1会議室　物理学科・応用物理学科会議室

 

講師：Philippe G. LeFloch（Research ProfessorLaboratoire J-L Lions and CNRS Sorbonne Université, Paris）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催：先進理工学研究科　物理学及応用物理学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

演題：Theoretical studies of optical materials doped with transition metals

 

日時：2023年1月26日(木) 10時30分～12時00分

 

会場：西早稲田キャンパス　55号館第1会議室

 

講師：Mikhail Brik（Institute of Physics University of Tartu Professor）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催：基幹理工学研究科　電子物理システム学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

演題：ゲノム分子情報にもとづく生命医科学分野におけるデータサイエンス

 

日時：2023年1月26日(木) 17:00 – 18:30

 

会場：早稲田大学120-5号館　121会議室

※ハイブリットで開催いたします。遠隔参加希望の場合は以下参照

 

講師：土方　敦司（東京薬科大学　生命科学部　准教授）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

事前申込先：[email protected]

「お名前」「所属」「メールアドレス」「講演会参加の目的」を明記下さい。

早稲田大学の学生の場合は、学籍番号もご記入ください。

申し込みいただいた方に、zoomアドレスをお送りします。

 

主催：早稲田大学 先進理工学部　生命医科学科

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

サイバーフィジカルインフラに向けた高信頼シームレスアクセスネットワークに関する研究開発を開始

「サイバーフィジカルインフラに向けた高信頼シームレスアクセスネットワークに関する研究開発」が情報通信研究機構の委託研究に採択

三菱電機株式会社（東京都千代田区、執行役社長　漆間啓、以下、三菱電機）、学校法人早稲田大学（東京都新宿区、理事長　田中愛治、以下、早稲田大学）、学校法人立命館（京都府京都市、理事長　森島朋三、以下、立命館大学）、国立大学法人名古屋工業大学（愛知県名古屋市、学長　木下隆利、以下、名古屋工業大学）、一般財団法人電力中央研究所（東京都千代田区、理事長　松浦昌則、以下、電力中央研究所）、公益財団法人鉄道総合技術研究所（東京都国分寺市、理事長　渡辺郁夫、以下、鉄道総合技術研究所）は共同で、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT(エヌアイシーティー))の委託研究「Beyond 5G機能実現型プログラムのうち一般課題」（採択番号04901）に応募し、採択されました。

本研究では、100 GHz帯の大容量通信デバイスの大幅な高出力化（目標出力10 W級）とアクセス伝送技術により、高速移動体や広域での10 Gbps以上の無線通信を可能とする要素技術の開発を行います。さらに、その無線通信と光ファイバ通信を融合したシームレスネットワークの制御技術を開発してネットワークの高信頼化を進め、電力システムにおける「電力ネットワークのリアルタイムスマートデジタルツイン（RSDT）」や、鉄道インフラにおける「状態に基づいたメンテナンス（状態監視保全：CBM）」に利用可能なプラットフォーム構築技術の確立を目指し、インフラ監視システムのユースケースでの機能実証を行います。

本研究では、以下の項目に取り組みます。

1. シームレスアクセス要素技術の研究開発

1-a）アクセス伝送技術に関する研究開発（早稲田大学）
1-b）ハイパワーテラヘルツデバイス技術に関する研究開発（三菱電機）
1-c）大容量通信デバイスに関する研究開発（立命館大学）

2. シームレスアクセスネットワークに関する研究開発

2-a）有無線ネットワーク制御技術に関する研究開発（名古屋工業大学）
2-b）高信頼通信ネットワークに関する研究開発（電力中央研究所）
2-c）鉄道インフラ監視システムに関する研究開発（鉄道総合技術研究所）

※本委託研究における本学の研究代表者は、理工学術院　川西哲也教授です。

本委託研究は2022年度(令和4年度)から2025年度（令和7年度）までの4年間実施の予定です。契約は約5億円での単年度毎であり、継続評価を受け契約更新を行います。

（参考リンク）
NICTウェブページ「Beyond 5G研究開発促進事業（一般型）」に係る令和4年度新規委託研究の公募（第1回）の結果
https://www.nict.go.jp/publicity/topics/2022/08/05-1.html

アト秒レーザーによる高分解能での複素数の波動関数の可視化に成功

発表のポイント

• アト秒レーザーを用いることで、複素数の電子波動関数の詳細な構造を可視化した。
• 電子密度分布だけではなく、電子の「位相」分布の測定に成功した。
• アト秒レーザーパルスの発生方法を制御し、２つの過程の干渉を用いることで、これまで分からなかった運動量空間での電子波動関数の詳細な構造を高分解能で明らかにした。
• そのことにより、量子コンピューター等の計算アルゴリズムの発展・検証や、複素数の波動関数測定による、新たな物質解析と超高速の量子制御法の開発が期待される。

早稲田大学理工学術院の新倉　弘倫（にいくら　ひろみち）教授らは、カナダ国立研究機構のD. M. Villeneuve博士と共同で、アト秒レーザーによりネオン原子から放出された電子の波動関数^※１を、位相分布も含めて高分解能で可視化する方法を開発しました。電子の「位相」と「振幅」がどのように分布しているのかがわかることで、「複素数」の電子波動関数を可視化することができます。本研究により、様々な物質の構造や機能がどのように発現しているのかを、波動関数の観点から解き明かすことが期待されます。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review A』に、“High-resolution attosecond imaging of an atomic electron wavefunction in momentum space” として、2022年12月23日（金）にオンラインで掲載されました。

(1)これまでの研究で分かっていたこと

様々な分子（生体分子）やマテリアルの構造や性質は、その電子の状態が大きな役割を果たしています。紫外光よりも波長の短い極端紫外光や軟Ｘ線を物質に当てると、電子が放出されます（アインシュタインの光電効果）。放出された電子の運動エネルギーや、どの方向に放出されたかを測定する光電子分光法は、物質の電子状態や構造を調べる方法として、SPring-8等の放射光などを光源として広く利用されています（図１）。

放出された電子は、「つぶつぶ（粒子）」として観測されます。例えば図２の実験例では、レーザーを当てると試料から電子がある角度に放出され、検出器の上に輝点となってあらわれます（筆者による測定）。測定を多数回繰り返すと、電子の“ぽつぽつ”によりある形を持った分布となります。この分布はMax Bornの確率解釈（1926年）によると、波動関数の自乗 |Ψ|² に相当するものになります。この例では、ネオン原子の電子のf-波、磁気量子数m=0が主な成分となります（Science 356,1150 (2017)）。

一方、電子は粒子性と波動性の２つの性質^※２を持っており、波としての性質は、電子の「位相」として表されます。しかし、この“位相情報”は検出器に当たったときに消えてしまいます。すなわち、本来は図２の赤線の２つの部分では、電子の「位相」（または符号）が異なるはずなのに、検出器上ではただの「粒」としてしか観測されません。（広い意味でのコペンハーゲン解釈による波動関数の収縮）。

アト秒（=10のマイナス18乗秒）科学の方法を用いることで、電子の量子的な性質である「位相」を測定することが可能になってきました。位相がわかることにより、波動関数の自乗|Ψ|² ではなく、複素数の波動関数 Ψ そのものを得ることが出来ることになります。2004年に筆者らは、アト秒再衝突電子を用いる方法(Nature 417, 917 (2002))により、窒素分子の分子軌道のイメージングに成功しました(Nature 432, 867, (2004))。アト秒レーザーパルス列^※３を用いる方法では、2001年に、ヨーロッパなどのグループにより、主に「エネルギーごとの」電子の位相を測定する方法が開発されています(Science 292, 1689 (2001))。近年、筆者らは奇数次と偶数次を含むアト秒レーザーパルス列を用いることで、ネオン分子から放出された電子の「角度ごとの」位相を測定し、部分波にわける方法を開発しました(Science 356, 1150 (2017) )。一方、この方法は電子の３つの干渉過程を用いるため、解析方法が難しく、角度ごとのみの解析に留まっていました。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

そこで本研究では、2017年の方法を発展させ、より簡単・直接的な方法で「角度ごと・エネルギーごとをあわせた運動量^※４ごとの電子の位相と振幅を測定し」「複素数の波動関数全体を可視化する」方法を開発しました。具体的には、アト秒レーザーパルスの発生方法を制御することにより、「２つのイオン化過程のみの干渉」が起こるようにしました。このことにより、角度ごとではなく「電子の運動量ごと」の振幅と位相を直接、決定できます。これは、図２でいえば「検出器上のある点に来る粒ひとつの」位相と振幅を求めることに相当します。また、解析が非常に短時間で行えるようになりました。これにより、「複素数の波動関数全体」のイメージングが可能になり、これまではわからなかった運動量空間での電子波動関数の詳細な構造（位相の違いなど）が高分解能で明らかになりました。

(3)そのために新しく開発した手法

電子の位相を測定するためには、干渉を用います。アト秒レーザーパルス列（高次高調波）は、極端紫外領域の波長（エネルギー）の異なる複数の高調波を含んでいますが、その発生過程を制御することにより、２つのイオン化過程A,Bのみの干渉が起きるようにしました（図３）。具体的には、過程Ａでは第14次高調波による１光子イオン化過程、過程Ｂでは第13次高調波と赤外光による２光子イオン化過程となります。ここで、第15次以上の高調波はほとんど発生しないようにしています。このパルスを気相の原子に当てると、それぞれの過程A,Bで異なる対称性を持った電子波動関数が生成します。それぞれの波動関数は干渉し、その干渉の様子は高次高調波と赤外光との時間差 τ を変えることで変化します。その変化から位相と振幅を決定します。

この過程は、光や電子を用いた「２重スリット実験」との類似で考えることが出来ます。すなわち過程Ａが片方のスリットを通るパス、過程Ｂがもう片方のスリットを通るパスに相当します。それぞれのパスを通過した光または電子は干渉して干渉縞を作ります。ここで、片方のパスの長さを変えると、干渉縞が移動します。その移動の様子から、位相を知ることが出来るというものです。本実験では、「片方のパスの長さを変えること」は「アト秒レーザーパルス（高次高調波）と赤外パルスの時間差をアト秒で変える」ことに相当します。なお実験装置等は早稲田大学西早稲田キャンパス５１号館地下の新倉研究室で開発したものです。

実験結果:
アト秒レーザーパルスと赤外光の時間差 τ を変えて、ネオンガスから放出された電子の運動量分布を測定しました。それぞれの電子の運動量ごとの信号強度は、時間差 τ の関数として変動します。その変動の振幅の大きさと位相を求め、２次元の運動量上にマッピングしました（図４）。

図４(a)が振幅、(b)が位相の分布を示します。(a)の振幅の大きさの分布に、６つのピークが見えています。例えば上と下のピーク(k_x=0のところ)は、ほぼ同じ振幅の強度になっていますが、(b)の位相の値を見ると、赤・青の色の違いから、位相がπだけずれていることがわかります。この位相と振幅から、複素数の波動関数 Ψ を得ました。(c)と(d)に、複素数の波動関数の実部と虚部をそれぞれ示します。(c)の実部を見ますと、色の赤いほうがプラスの振幅、青いほうがマイナスの値の振幅になっており、区別がなされていることがわかります。また本研究では、振幅と位相、または実部と虚部という２つの量で特徴付けられる複素数の波動関数を１枚の図で表現するために、HSV(hue, saturation, value)表示を用いました。図５(a)は、上と同じ波動関数をこの表示で表したものです。（なお、全体の任意位相は(b)と(c)(d)、また図５とでは、シフトさせています。）色(hue)が位相(phase)、明るさ(value)が振幅(Amp.)を表します。”S”(saturation)の値は0.5にしています。図５(c)に、横軸を振幅、縦軸を位相としたときの２次元のHSVカラーマップを示します。このように表現することで、位相と振幅を含めた波動関数の詳細な構造がわかります。例えば高次高調波のエネルギー（波長）を少し変えると(図５(b))、測定される分布が大きく変わることがわかりました。

測定された波動関数 Ψ は、それぞれ過程Ａと過程Ｂによって生成した波動関数の「積」になっています(Ψ=ψ_a ψ*_b)。（過程Ｂのほうは複素共役をとります）。そこで測定された波動関数 Ψ を、過程１、過程２のそれぞれのイオン化過程によって生じた電子波動関数 ψ_a  と ψ*_bとに分けるアルゴリズムを開発しました。図６にその結果を示します。

このように分けることで、特徴的な6つのピーク構造の内側と外側の位相の違いは、主に過程Ｂによって生成したψ*_b（第13次高調波＋赤外光）の位相が異なっていることによって生じた、ということがわかりました。なお、Ψ の振幅の強度は対数スケールですが、ψ_a  と ψ*_bはリニアスケールを用いて表示しています。

(4)研究の波及効果や社会的影響

本研究で測定された電子波動関数は、ネオン原子内の他の電子や、イオン核との相互作用が顕著な、低エネルギーの電子のものです。このような電子相関過程が大きな場合は、最新の計算機でも、その正確な計算が困難になります。計算結果と比較するためには、本研究で示されたような位相を含めた「複素数」としての物理量を測定することが必要になります。現在発達中の、量子コンピューターなどの計算アルゴリズムの発展や、その検証に使えることが期待されます。また本研究では、コヒーレントなアト秒レーザーを用いて、電子の波としての性質を利用することで、通常の光電子分光法では測定が困難な電子の位相の分布の測定を可能にしました。アト秒レーザーパルスはテーブルトップで極端紫外領域～軟Ｘ線領域の光を発生できますが、本研究により、電子の位相分布や複素数の波動関数イメージングをもとにした、新規な位相・運動量分解光電子分光法や物質測定・量子状態の測定法の開発につながります。複素数の電子波動関数がわかることにより、新たな機能を持つ分子の創生や、より高輝度の蛍光物質の作成などが期待されます。

(5)今後の課題

本研究では気相の原子についての測定を行いましたが、同様の原理を用いて、配列した気相の分子や固体試料でも同様に、電子の位相分布を求める方法を開発することが今後の課題となります。本実験では、当研究室で開発された「長時間アト秒時間差を維持できる」高安定な光学系を用いました。このアト秒高安定性を利用して、本方法を固体試料の顕微分光法などに応用し、「異なる部位から放出された電子の位相分布」、時空間でのイメージングを可能にする「アト秒位相分解・光電子顕微鏡」の作成などが目標となります。

(6)研究者のコメント

「原子や分子などの電子状態はどのようになっているのか」は20世紀初頭の量子力学の発展により明らかにされてきました。物質や生体分子などの構造・機能を理解するためには、量子力学的な取り扱いが基本となっているため、物理だけではなく化学や生物系の分野でも波動関数などは必要な概念です。大学で量子力学・量子化学・物理化学などを学びますと、シュレーディンガーの波動方程式や、波動関数に出会うと思います。教科書には「波動関数の絵（計算結果）」が色分けされて掲載されていると思いますが、「計算結果ではなくて、直接、色（位相）をわけた波動関数を測定する」ということが、ひとつの目標でした。今回、アト秒レーザーパルスを用いた新たな光電子分光法により、位相の分布や複素数の波動関数を高分解能で可視化できることになりましたが、ぜひ教科書や講義等で、ご紹介いただければ幸いです。
【ご参考】https://www.f.waseda.jp/niikura/NHdenshi22.pdf

(7)用語解説

※1　波動関数
シュレーディンガー方程式の解としての、物質の波としての性質を現す複素数の関数(Ψ)。「波動関数の自乗|Ψ|²は粒子の存在確率を表す」という確率解釈が提唱され、実際の実験結果と関係付けられました。いわゆる「電子雲」と呼ばれることもあるものは、この「電子波動関数の自乗」に相当します。しかし、電子の存在確率を表す「波動関数の自乗」は、※２の図で言えば「振幅の自乗」に相当し、位相成分は測定されません。原子や分子などの電子状態は、自乗をとらない複素数の波動関数そのもの Ψ を元に表現されるため、電子の「確率分布（電子雲）」だけではなく「位相の分布」を得ることが重要でした。

※2　電子の粒子性と波動性
電子は粒として観測されますが、波としての性質を持っています。電子の振る舞いは、「波」を表す数式で記述でき、さまざまな現象は、電子を波として考えるとよく説明できる、という意味です。電子の波としての性質は、通常の波動と同じように「振幅」「位相」「周期」で決まります。波の大きさが振幅、波が基準となるところからどれだけ横にずれているのか、が位相となります。振幅と位相の２つの物理量をまとめて書くと、複素数での表示になり、実数の部分（実部）と虚数の部分（虚部）で表されます。

※3　アト秒レーザーパルス（高次高調波）
高強度の赤外のレーザーパルス（基本波）を原子などに集光すると、極端紫外領域のレーザーパルスが発生します。そのスペクトルは、基本波の奇数次倍のエネルギー（または奇数次分の１の波長）を持つ高調波の列になります（高次高調波）。本研究では、基本波とその２倍波を重ねて高次高調波を発生しているため、第13次（基本波790nmのエネルギー1.57eVの13倍のエネルギー（または13分の1の波長））に加えて、偶数次である第14次も発生します。
【ご参考】「アト秒科学　かんたん解説」https://www.f.waseda.jp/niikura/attosum.htm

※４　運動量
電子は、ある方向にあるエネルギーで原子から放出されます。これはまとめて「あるk_x,k_yという運動量を持つ電子が放出される」と言い換えることが出来ます。本研究で用いた測定装置(Velocity Map Imaging)では、高いエネルギーを持つ電子はわっかの外側に、低いエネルギーをもつ電子は内側に検出され、角度とエネルギーの両方の「運動量分布」を測定できます。実際には３次元で電子は放出されますが、それを２次元に射影しています。

(8)論文情報

雑誌名：Physical Review A 106, 063513 (2022).（アメリカ物理学会誌）
論文名：High-resolution attosecond imaging of an atomic electron wavefunction in momentum space
執筆者名（所属機関名）：中嶋 孝史（なかじま　たかし）（早稲田大学理工学術院先進理工学研究科）、篠田 祐（しのだ　たすく）（早稲田大学理工学術院先進理工学研究科）、D. M. Villeneuve （カナダ国立研究機構&オタワ大学）、新倉 弘倫（早稲田大学理工学術院先進理工学部）*
＊責任著者
掲載日（現地時間）：2022年12月23日
掲載ＵＲＬ：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.106.063513
DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.063513

(9)研究助成

研究費名：科学研究費補助金　基盤研究Ａ　18H03903
研究課題名：アト秒位相分解波動関数イメージング法による新規な量子選択性の研究
研究代表者名（所属機関名）：新倉弘倫（早稲田大学）

演題：ラジカル種を用いた新奇固体反応の開発：

環状アルコールの開環型フッ素化反応・芳香族臭化物とアルキルピリジニウム塩

との還元的カップリング反応

 

日時：2023年2月11日(土)16：30－18：00

 

会場：早稲田大学　121号館　共通会議室

 

講師：一色　遼大（北海道大学　化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)特任助教）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催：先進理工学研究科　応用化学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

演題：新薬 vs. ジェネリック

 

日時：2023年1月25日(水)16：30－18：00

 

会場：早稲田大学　121号館　コマツ記念ホール

 

講師：内川　治（東和薬品株式会社上席執行役員　大地化成株式会社代表取締役会長）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

 

主催：先進理工学研究科　応用化学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

演題：Frei Otto, Thinking by Modeling

 

日時：2023年1月19日(木) 16時30分～18時00分

 

会場：オンライン（Zoom）による開催

 

講師：Georg Vrachliotis （デルフト工科大学, 教授

Full Professor,ChairTheory of Architecture & Digital Culture, Department of ArchitectureTU Delft）

 

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

 

参加方法：時間になりましたら下記URLよりご入室下さい。

 

https://list-waseda-jp.zoom.us/j/92365124295?pwd=WGVhUEV4NzVDUW90WkxSMVVIbm9Zdz09

 

 

主催：創造理工学研究科　建築学専攻

 

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

 

TEL：03-5286-3000

国際宇宙ステーション搭載の高エネルギー電子・ガンマ線観測装置（CALET）による測定

宇宙線が銀河系内を伝播する様子の高精度観測に成功

発表のポイント

国際宇宙ステーション(ISS)・「きぼう」日本実験棟搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET)が、宇宙線が銀河系内を伝播する間に生成されるホウ素の流量をTeV領域まで高精度に観測しました。

宇宙線が銀河系内を伝播する距離・時間の正確な観測には広いエネルギー領域での原子核の高精度な測定が望まれる一方、ホウ素の高エネルギー(TeV)領域での観測が困難な状況でした。

今回の観測成功により、これまで十分には解明されていなかった、星の元素合成では生成されないホウ素の宇宙空間における生成メカニズムの解明に重要な貢献が期待されています。

早稲田大学理工学術院総合研究所主任研究員（研究院准教授） 赤池 陽水（あかいけ ようすい）、早稲田大学名誉教授・CALET代表研究者 鳥居 祥二（とりい　しょうじ）、イタリア・シエナ大学研究員 Paolo Maestroらは、神奈川大学、立命館大学、東京大学宇宙線研究所、弘前大学、宇宙航空研究開発機構（JAXA）及び国内他機関とのイタリア、米国の国際共同研究グループ（以下、本研究グループ）として、国際宇宙ステーション(ISS)・「きぼう」日本実験棟搭載の宇宙線電子望遠鏡（CALET、※１）がホウ素の流量をテラ電子ボルト（TeV）領域（※２）まで観測し、宇宙線が銀河系内を伝播する様子を高精度に明らかにしました。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review Letters』に、“The Cosmic-ray Boron Flux Measured from 8.4 GeV/n to 3.8 TeV/n with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station”として、2022年12月16日（金）＜現地時間＞にオンラインで掲載されました。

図１：「きぼう」船外実験プラットフォームに設置されたCALETの様子。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

宇宙線は、星の進化の過程で核融合反応により生成された元素が、進化の最終段階で超新星爆発などにより加速されて、宇宙空間に飛び散ったものです。しかし、地球上などで見られるリチウム、ベリリウム、ホウ素などの元素は、星の進化の過程では生成されないため、宇宙線が銀河系内を伝播する間に星間物質（ガス）と衝突して二次的に生成されたものであると考えられています。したがって、これらの原子核は、これまでよくわかっていなかった、宇宙線が銀河系内にどのくらいの時間閉じ込められ、どのように銀河系外へ漏れ出していくのかを知ることができるユニークな情報をもたらしてくれます。

この中でもホウ素(B)は、それより少し重い炭素(C)が星間物質と相互作用して生成される確率が高く、両者の比（B/C）の観測により宇宙線が銀河内をどれくらいの距離と時間で伝播するかを、明らかにすることが可能になります。宇宙線は銀河磁場（※３）によって散乱されて拡散的に伝播するため、エネルギーが高くなるほどより直線的に進むことにより、地球に到達するまでの距離が短くなり、それに比例して星間物質との衝突確率が減ることになります。

この結果、エネルギーが高くなるほど、ホウ素の生成確率がさがりB/Cはエネルギーの増大とともに減少することになります。この減少の様子（正確にはB/C比のエネルギースペクトル（※４）の形状）は、宇宙線の散乱に寄与する銀河磁場の構造や宇宙線が衝突を起こす星間物質の分布を反映します。このため、それらの理論的推測に基づく宇宙線の銀河内モデルが数多く提案されており、そのモデルの決定のために広いエネルギー領域でのB/C比の高精度な測定が望まれていました。しかし、高エネルギーになるほどホウ素の量は極めて少なく、TeV領域では炭素の数％ほどに減少するため、観測は困難な現状がありました。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

ホウ素は宇宙空間で二次的に生成される原子核であるため、宇宙線が生成されてから地球に到達するまでの”歴史”を理解する鍵として、これまでに多くの観測が行われてきました。そのうち、2010 年代以降の代表的な観測として、PAMELA衛星や国際宇宙ステーション搭載AMS-02といった磁気スペクトロメータや、気球に搭載したカロリメータ型検出器(ATIC, CREAM など）が挙げられます。今回CALETは、図２に示すように、広いエネルギー測定範囲と確実な装置較正により、磁気スペクトロメータとカロリメータ型検出器によってカバーされていた領域を、単独の検出器として核子あたりのエネルギーで8.4ギガ電子ボルトから3.8テラ電子ボルトという広いエネルギー領域で、B/C比を高精度に観測することに成功しました。特に、高エネルギー側では宇宙線の銀河内伝播モデルの決定に重要なテラ電子ボルト領域での観測により、これまで未解決であった加速領域（超新星残骸）におけるホウ素の生成量について定量的な評価を与えています。

ほぼ同時に、同じカロリメータ型検出器DAMPEによって観測結果が報告されていますが、この観測ではB/C 比の結果のみが報告され、CALETのようにホウ素及び炭素のエネルギースペクトルの測定結果に基づくB/C比の観測ではなく、ホウ素や炭素の絶対値が報告されていません。このため、B/Cの観測結果に対する系統的誤差の見積もりが困難であり、誤差の評価が難しい状況にあります。今回の本研究グループによるCALETの観測では、炭素、ホウ素の絶対値に関する系統誤差に基づいて、B/C比の誤差を正確に求めており、正確なモデル選別のために貴重なデータを提供しています。

図２：　CALETにより得られた核子あたりのエネルギーで8.4ギガ電子ボルトから3.8テラ電子ボルトの領域で得られたホウ素（B)、炭素(C)、及びB/C比のエネルギースペクトルの観測結果を、他の観測結果と比較して示す。ホウ素と炭素のエネルギースペクトルの縦軸にはエネルギーの2.7乗が積算されている。黄色のハッチ領域はCALETの系統的誤差を表し、その他の観測の誤差は統計誤差のみを示す。

（３）そのために新しく開発した手法

CALET は世界で初めて宇宙機に搭載された宇宙線シャワーを可視化できるカロリメータ型の観測装置です。CALET開発以降では、同種の観測装置である中国のDAMPE と米国のISS-CREAM が打ち上げられています。カロリメータ型の観測装置に対して、磁石を採用したマグネットスペクトロメータ型のPAMELA とAMS-02 が、電荷の正負の判定による反粒子を含む観測に現在成果を挙げています。カロリメータ型装置は、電荷の正負は判定できないものの、エネルギー測定がテラ電子ボルト以上まで可能です。これに対して、マグネットスペクトロメータ型装置は、テラ電子ボルト領域以下の観測に限られています。このため、両者はお互いの利点を生かして相補的な観測を実施しています。こうしたなかで、CALETはこれまで高精度観測が困難で未開拓な領域であったテラ電子ボルト領域での観測において成果をあげています。

（４）研究の波及効果や社会的影響

宇宙線は星の進化の過程で生成された元素が、特にその最終段階で超新星爆発などにより宇宙空間にばら撒かれ、超新星残骸で生成された衝撃波によって加速されると考えられています。しかし、この衝撃波加速やその後の宇宙空間への拡散などについては、まだまだ不明な部分が多く、その解明には宇宙線諸成分のエネルギースペクトルの高精度観測が不可欠です。今回の成果は星の元素合成では生成されない元素であるホウ素が、炭素と星間物質との相互作用により宇宙空間でどのようにして生成されるかを解明するために必要なB/C比の観測を世界で最も高精度にテラ電子ボルト領域まで達成しています。このことにより、これまで謎につつまれていたホウ素の起源を定量的に明らかにするために不可欠なデータを提供しています。

（５）今後の課題

星の元素合成で生成される宇宙線（一次成分）のエネルギースペクトルに加えて、それらの星間物質との相互作用によって宇宙空間で生成されるベリリウム、リチウム、ホウ素などの宇宙線（二次成分）の観測は、宇宙線の加速領域や銀河磁場構造の理解にとって重要です。しかし、これらの二次成分は絶対数が少ない上に、エネルギーの増大とともに一次成分に対してさらに減少します。そのために、これらの正確な理解のためには観測の継続により観測量を増やし、それぞれのエネルギースペクトル観測の精度をあげるとともに、より高エネルギー領域での観測が必要になります。このことにより、宇宙線の超新星残骸や銀河空間での伝播機構のさらに高精度な理解を目指します。

（６）研究者のコメント

CALETは2015年8月から約7年間の観測を継続的かつ安定して行い（※５）、これまでの観測が達成できなかった、テラ電子ボルト領域に及ぶ宇宙線諸成分の高度観測を達成しています。今回の研究成果は特に宇宙空間で二次的にしか生成されないホウ素の観測に成功し、これまで不確定性の大きかったホウ素の生成メカニズムを解明するために不可欠なデータを発表しています。

（７）用語解説

※1 CALET

CALorimetric Electron Telescope(CALET）はカロリメータ方式の宇宙線電子望遠鏡で、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験です。高エネルギー電子の高精度観測に最適化されたユニークな装置となっています。CALETの主となる検出装置は「カロリメータ」と言い、ここに飛び込んでくる宇宙線を捉えて観測することになります。カロリメータは、図３のように３つの層からできています。図３の第１の層（CHD）では粒子の電荷を測定し、原子番号を調べます。第２の層（IMC）では、粒子が飛んできた方向を測定します。そしてもっとも厚みのある第3の層（TASC）で、宇宙線が吸収されて生じる「シャワー」の発達の様子からその宇宙線のエネルギーや種類を特定します。この3つの層から得られる情報を統合することで、その宇宙線について知るべきことがほとんどわかります。特に第三の層の厚さや使われている物質によって、どれだけ高いエネルギーの粒子まで観測することができるかが決まるのですが、CALETはとりわけここが従来の観測装置に比べて高い性能を持っています。

図３：CALETの主検出であるカロリメータ部の装置概要。上から電荷測定器(CHD)、撮像型カロリメータ(IMC)、全吸収型カロリメータ(TASC)。１TeVの電子シャワーのシミュレーション例が上書きで示されている。

※2 TeV領域

エネルギーの単位の一つとして用いられる電子ボルト(eV)は、1ボルトの電位差を抵抗なしに通過した際に電子が得るエネルギーを1電子ボルトとして定義されています。ここではその１兆倍のエネルギーがテラ電子ボルト(TeV)です。なお、現在地上で人工的に粒子を加速できるもっとも高いエネルギーは6.5TeVです。

※3 銀河磁場

銀河系内に存在する大局的な構造としての磁場のことで、宇宙線は電荷を帯びているので銀河内を運動する間に、磁場との間にはたらくローレンツ力によってその進行方向が変化します。このため、宇宙線が加速源から地球に到達するまでの時間や距離は、銀河磁場の強さや構造を反映します。

※4 スペクトル

本稿ではすべてエネルギースペクトルの意味で用いています。横軸をエネルギー、縦軸を流束とした図をエネルギースペクトルと言います。宇宙線各成分のスペクトルは概ね冪形状となっていて、その冪の値は大体 -2.7 程度ですので、高いエネルギ―になるにつれ急激に流束が減少します。

※5 これまでのCALETによる観測

2015年8月に国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに設置され、同年10月より宇宙線観測を開始して以来、現在まで7年間以上にわたって順調に観測を継続しています。その結果、電子、陽子、ヘリウムから鉄、ニッケルまでの宇宙線各成分やガンマ線の観測で成果をあげています。このほか、太陽活動にともなう宇宙線流量の長期変動や宇宙天気予報観測を継続して実施しています。図１に、「きぼう」に設置されたCALETを示します。

（８）論文情報

雑誌名：Physical Review Letters
論文名：The Cosmic-ray Boron Flux Measured from 8.4 GeV/n to 3.8 TeV/n with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station
著者名：Yosui Akaike (Waseda University), Paolo Maestro (Siena University), Shoji Torii (Waseda University) et al. (CALET Collaboration)
掲載日（現地時間）：2022年12月16日（金）
掲載日（日本時間）：2022年12月17日（土）
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.251103
DOI：10.1103/PhysRevLett.129.251103

（９）研究助成

研究費名　：　科学研究費補助金　基盤研究（S）
研究課題名：  CALET長期観測による銀河宇宙線の起源解明と暗黒物質探索
研究代表者名（所属機関名）：　鳥居祥二（早稲田大学）

研究費名　：　科学研究費補助金 基盤研究(C)
研究課題名：　宇宙線原子核の直接観測による銀河宇宙線の加速・伝播機構の研究
研究代表者名（所属機関名）：　赤池陽水（早稲田大学）

Discovering Rare Red Spiral Galaxy Population from Early Universe with the James Webb Space Telescope

The first image of NASA’s James Webb Space Telescope reveals a detailed morphology of highly redshifted spiral galaxies

Morphology of galaxies contain important information about the process of galaxy formation and evolution. With its state-of-the-art resolution, NASA’s James Webb Space Telescope has now captured several red spiral galaxies in its first image at an unprecedented resolution. Researchers from Waseda University have now analyzed these galaxies, revealing that these are among the furthest known spiral galaxies till date. The analysis further detected a passive red spiral galaxy in the early universe, a surprising discovery.

Spiral galaxies represent one of the most spectacular features in our universe. Among them, spiral galaxies in the distant universe contain significant information about their origin and evolution. However, we have had a limited understanding of these galaxies due to them being too distant to study in detail. “While these galaxies were already detected among the previous observations using NASA’s Hubble Space Telescope and Spitzer Space Telescope, their limited spatial resolution and/or sensitivity did not allow us to study their detailed shapes and properties,” explains Junior Researcher Yoshinobu Fudamoto from Waseda University in Japan, who has been researching galaxies’ evolution.

Now, NASA’s James Webb Space Telescope (JWST) has taken things to the next level. In its very first imaging of the galaxy cluster, SMACS J0723.3-7327, JWST has managed to capture infrared images of a population of red spiral galaxies at an unprecedented resolution, revealing their morphology in detail!

Against this backdrop, in a recent article published in The Astrophysical Journal Letters on 21 October 2022, a team of researchers comprising Junior Researcher Yoshinobu Fudamoto, Prof. Akio K. Inoue, and Dr. Yuma Sugahara from Waseda University, Japan, has revealed surprising insights into these red spiral galaxies. Among the several red spiral galaxies detected, the researchers focused on the two most extremely red galaxies, RS13 and RS14. Using spectral energy distribution (SED) analysis, the researchers measured the distribution of energy over wide wavelength range for these galaxies. The SED analysis revealed that these red spiral galaxies belong to the early universe from a period known as the “cosmic noon” (8-10 billion years ago), which followed the Big Bang and the “cosmic dawn.” Remarkably, these are among the farthest known spiral galaxies till date.

Rare, red spiral galaxies account for only 2% of the galaxies in the local universe. This discovery of red spiral galaxies in the early universe, from the JWST observation covering only an insignificant fraction of space, suggests that such spiral galaxies existed in large numbers in the early universe.

The researchers further discovered that one of the red spiral galaxies, RS14, is a “passive” (not forming stars) spiral galaxy, contrary to the intuitive expectation that galaxies in the early universe would be actively forming stars. This detection of a passive spiral galaxy in the JWST’s limited field of view is particularly surprising, since it suggests that such passive spiral galaxies could also exist in large numbers in the early universe.

Overall, the findings of this study significantly enhances our knowledge about red spiral galaxies, and the universe as a whole. “Our study showed for the first time that passive spiral galaxies could be abundant in the early universe. While this paper is a pilot study about spiral galaxies in the early universe, confirming and expanding upon this study would largely influence our understanding of the formation and evolution of galactic morphologies,” concludes Fudamoto.

Reference

Title of original paper: Red Spiral Galaxies at Cosmic Noon Unveiled in the First JWST Image
DOI: 10.3847/2041-8213/ac982b
Journal: The Astrophysical Journal Letters
Article Publication Date: October 21, 2022
Authors: Yoshinobu Fudamoto^1,2, Akio K. Inoue^1,3, and Yuma Sugahara^1,2
Affiliations:
¹Waseda Research Institute for Science and Engineering, Faculty of Science and Engineering, Waseda University
²National Astronomical Observatory of Japan
³Department of Physics, School of Advanced Science and Engineering, Faculty of Science and Engineering, Waseda University