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Report
X線天文学と
宇宙の高エネルギープラズマ
名古屋大学KMI
現象解析研究センター
松本浩典
新潟大学集中講義
1
集中講義の内容
•
•
•
•
X線、X線放射過程
超新星残骸プラズマ
天の川銀河中心プラズマ
銀河団プラズマ
新潟大学集中講義
2
超新星1987A
1987年2月24日
1987年2月23日
大マゼラン星雲
大マゼラン星雲
3
新星(nova)・超新星(supernova)
突然明るく発生する星。
光度
新星 … 太陽の~10^5倍
超新星 … 太陽の~10^9倍
新しい星の誕生と思われていた。
新潟大学集中講義
4
新星
©Wikipedia
白色矮星周辺の降着円盤(恒星+白色矮星)
新潟大学集中講義
5
超新星Ia型
白色矮星+連星系。核反応の暴走。
新潟大学集中講義
6
超新星II型
大質量星の重力崩壊。後に中性子星やBH。
新潟大学集中講義
7
ぎんが衛星
ちなみに
1987/2/5打ち上げ
SN1987A: 1987/2/24
あすか衛星
M81
1993/2/20打ち上げ
SN1993J: 1993/3/28
新潟大学集中講義
8
超新星爆発のタイプ
本来は、スペクトルや光度曲線で分類
• Type I … スペクトルに水素無し
• Ia, Ib, Ic etc
• Type II … スペクトルに水素有り
• IIP, IIL etc
研究現場では、多くの場合は、
Type Ia = 白色矮星連星系起源
Type II = 重力崩壊起源
を意味する。
新潟大学集中講義
9
放出エネルギー概算: Type Ia
質量降着でChandrasekhar限界を超える。
白色矮星中心部の温度が上がる。
核反応暴走。
核反応…1MeV/核子の放出を仮定。
Cf: 原子の世界 … 数keV
分子の世界(化学エネルギー … 数eV)
新潟大学集中講義
10
放出エネルギー概算: Type Ia
白色矮星 M~2e33g
核子数 2e33g/2e-24g = 1e57個
放出エネルギー
1MeV/個 * 1e57個 = 1e63 eV = 1e51 erg
白色矮星の重力束縛エネルギー
Eg = -GM^2/R ~ 4e50 erg 吹っ飛ぶ。
(R~6e8cm)
新潟大学集中講義
11
放出エネルギー概算: Type II
中性子星の重力エネルギー
M~1.4Msun=3e33g
R~10km=1e6cm
E~GM^2/R=6e53erg
このぐらいのエネルギーが放出されるが、
99%をニュートリノが持ち去る。
小柴氏ノーベル賞
普通の物質には ~1e51 erg
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12
エネルギー放出量
タイプに関わらず、E~1051erg
ほとんどが物質の運動
光に行くのは数%
新潟大学集中講義
13
超新星爆発の影響
星間物質の運動エネルギー
1


2
57
 ~10 
2
1010  100/
2
超新星爆発
1発
10
59
10  ×
× 10 年~10 
100年
51
新潟大学集中講義
14
超新星残骸
E~1051ergで星がふっとぶ。
爆風速度
1
2
1
2
 E   M 
 2E 
9
V ~
 ~ 10 cm / s  51


33 
M 
10 erg   2 10 g 

音速(~10^5 cm/s)を超えて物質が飛ぶ。
衝撃波発生で高温プラズマ発生。
超新星残骸 (Supernova Remnant; SNR)
新潟大学集中講義
15
1
2
Chandra X-ray image: Shell
Cassiopeia A
SN1006
新潟大学集中講義
©CXC
16
Chandra X-ray image: Plerionic
Crab
3C58
パルサー風星雲と関連
©CXC
新潟大学集中講義
17
Chandra X-ray image: Composite
Kes 75
SNR0540-69.3
新潟大学集中講義
©CXC
18
Chandra X-ray image: Mixed Morphology
IC443
Kes 79
赤:可視光
緑:電波
青:X-ray
Seward et al. 2003
©CXC
電波でシェル型、X線で中心集中
新潟大学集中講義
19
SNRの進化(1): Ejecta 自由膨張期
星間物質
ejecta
新潟大学集中講義
20
SNRの進化(2): 断熱膨張期
掃き集めた星間物質質量 > ejecta質量
星間物質
順行衝撃波
加熱された
接触不連続面
星間物質
加熱された
ejecta
逆行衝撃波
新潟大学集中講義
21
衝撃波の位置
新潟大学集中講義
22
Seward & Charles “Exploring the X-ray Universe”
SNRの進化(3): 放射冷却期
E0(~10^51erg)に比べて、放射で
失ったエネルギーが無視できない。
新潟大学集中講義
23
有名なSNRの例
名前
年
齢
距離
直径 視直径
段階
タイプ
kyr
kpc
pc
分角
Cas A
3.4
3
3.5
4
1-2
シェル
38
Kepler
0.40 5?
4.4?
3
1-2
シェル
10
Tycho
0.43 3
7.0
8
1-2
シェル
6
SN1006
1.00 1
9
30
1-2
シェル
1
Lx
10^35
erg/s
E0102-72.3 1
60
13
0.73
1-2
シェル
210
W44
7
3
26
30
2
MM
20
Kes79
7
7
22
11
2
MM
25
Cyg Loop
20
0.8
40
170
2~3
シェル
11
新潟大学集中講義
1.自由膨張
2.セドフ
3.放射冷却
Mixed
Morphology
24
断熱膨張期: Sedov解
時刻t
ρ
E
r
定性的導出 1
75
  =
8
5
1
1 2
−
5
  55
2 75
  =
5 8
1
5
1
1 3
− −
5 5 5
新潟大学集中講義
25
さらなる詳細は坂下・池内「宇宙流体力学」など
衝撃波
実験室系
衝撃波静止系
V2
V1
V1
質量保存 1 1 = 2 2
エネルギー保存
1
1
+
12
2
+
1 3
1
 2
運動量保存
=
2
2
+
2
1 新潟大学集中講義
1 + 1
22
2
=
+
1 3
( 2 )
 2
2
2 2
+ 2
26
強い衝撃波
実験室系
衝撃波静止系
V2
V1
V1
音速<<衝撃波速度
1
≪ 1
1
新潟大学集中講義
1
≪ V1

27
強い衝撃波の近似
実験室系
衝撃波静止系
V2
V1
V1
質量保存 1 1 = 2 2
エネルギー保存
12 2 22 1 3
= +
+ ( 2 )
2
2
2  2
運動量保存
2
2
1 新潟大学集中講義
1 = 2 2
+ 2
28
解
=

と組み合わせて解くと、

2 = 41
1
2 = 1
4
3
3
2
2
2 =
1 ~  1
16
32
(主成分水素原子)
新潟大学集中講義
29
Sedov解と組み合わせる
75
  =
8
2 75
  =
5 8
1
5
1
5
1
1 2
−
5
  55
1
1 2
−
5
~1.24  5  5
1
1 3
− −
5
  5 5
1
1 3
− −
5
0.50  5  5
∼
2
2 6
3
− −
2
5
  =
  ∼ 0.023   5  5
32
新潟大学集中講義
30
現実のSNR
51
−24
 ∼ 10 ,  ∼ 10
 
1
1 2
−
~1.24 5  5  5
  ∼
1
1 3
− −
0.50 5  5  5
  =
3
10
  ,  ∼ 3 × 10 
19
∼ 1.9 × 10  ∼ 6
∼ 2.6 × 108  
2
2 6
− −
5
0.023   5  5
∼ 6.4
温度が少し高めだが、いい線いってる。
新潟大学集中講義
31
電離非平衡プラズマ
Tycho: すざくXISスペクトル
連続成分
kT=3.48+0.59-1.19keV
鉄ライン
中心エネルギー
6.445+0.001-0.001keV
Tamagawa et al. 2009
Hayato et al. 2010 新潟大学集中講義
高階電離して
いない!
32
電離には時間がかかる。
• Ejectaや星間物質は中性。
• 原子同士の衝突で徐々に電離する
n_e × t~10^12 sec/cm^3で T_e~T_z
それ以下の場合は T_e > T_z
n_e: 電子数密度
t: 電離開始からの時間
T_z: 電離の度合いを示す温度
T_e: 電子の運動を示す温度
Masai et al. 1994
新潟大学集中講義
33
各種温度の時間発展
温度
陽子温度
数百年
電子温度
数万年
イオン化温度
ショック通過後の時間
新潟大学集中講義
34
Non-Equilibrium Ionizationモデル計算例
kT=3keV, Ab=1solar
nt=1e10 s/cm^3
nt=1e11 s/cm^3
nt=1e12 s/cm^3
新潟大学集中講義
35
NEIモデル計算例
鉄輝線のアップ
nt=1e10 s/cm^3
nt=1e11 s/cm^3
nt=1e12 s/cm^3
kT=3keV
Ab=1solar
新潟大学集中講義
36
NEI plasma
多くのSNRで、NEI plasmaが発見されている。
Tycho, Cas A, E0102-72.3 など多数
イオン化温度<電子温度の NEI
イオン化温度>電子温度のNEIは
存在しないのか?
新潟大学集中講義
37
すざく衛星 IC433観測
Yamaguchi et al. 2009
カラー: X線、緑:可視光
新潟大学集中講義
スペクトル
38
不思議な残差
CIEプラズマモデル+Si, S, Ar Ly α+Si Ly β
新潟大学集中講義
39
Radiative Recombination Continuum
Mg, Si, Sの水素状イオンのfree-bound
新潟大学集中講義
40
Free-bound放射
0
電子の
運動E
の範囲
光子数
E
スペクトル
電子の運動E
の範囲
-Eb
Eb
F-B放射からも温度がわかる。
新潟大学集中講義
E
41
パラメター
RRCの幅
=プラズマモデル
のkTe
新潟大学集中講義
42
イオン化温度
実線: 過電離プラズマモデル、点線:CIE
観測値
Si T_z~1.0keV S T_z~1.2keV T_e~0.6keV
新潟大学集中講義
43
アバンダンス
イオン化温度=電子温度を仮定し、He状イオン Kαから
決まった値。
Si kT_z=1.0keV, S kT_z=1.2keVなので、He状イ
オンの存在比異なる。修正すると、
Z_si ~ 2.2 solar
Z_s~2.6 solar
新潟大学集中講義
44
プラズマ量
 = 1   0 × 
α1:K殻RRC割合 (ph/cm^3/s)
A_Z: アバンダンス
f_0: fully ionized ionの割合
EM: emission measure (/4πD^2) (cm^-5)
Si RRCから: EM~9.9e12 cm^-5
S RRCから: EM~9.4e12cm^-5
Bremsから: EM~6.4e12 cm^-5
大雑把に一致する
新潟大学集中講義
45
過電離プラズマの発見
• 水素状イオン輝線が強い
• Radiative Recombination Continuum
–RRC幅が、制動放射の電子温度と一致
–EMが、制動放射から求めたものと一致
なぜか電子温度<イオン化温度
になっている。
新潟大学集中講義
46
IC443
過電離プラズマSNR
W28
W49B
Yamaguchi et al. 2009
W44
Sawada et al. 2012 Ozawa et al. 2009
G359.1-0.5
全てすざく衛星
の成果
Uchida et al. 2012
新潟大学集中講義
Ohnishi
et al.2011
47
過電離プラズマSNRの観測的特徴
• 全てMixed Morphology型
• Historicalな記録なし
–爆発当時は暗かったのか?
• 多くがガンマ線天体
–IC443, W28, W49B, W44
新潟大学集中講義
48
過電離プラズマの原因
まだよくわかっていない。
例えば…
濃い分子雲中で爆発したSNが、分子雲を突
き破り、急速に広がる。急速な断熱膨張で
電子だけ冷えた?(Itoh & Masai 1989)
新潟大学集中講義
49
シンクロトロンX線
Koyama et al. 1995
輝線がない
輝線
新潟大学集中講義
50
電波シンクロトロンとつながる
新潟大学集中講義
51
シンクロトロン放射だろう



= ℏ ∼ 6.6
10 10
高エネルギー電子の存在!
新潟大学集中講義
2
52
フィラメント状のシンクロトロン放射
©CXC
Bamba et al. 2003
新潟大学集中講義
53
I(E)∝E-α
宇宙線
• 主成分:陽子
• Knee 以下: 銀河
Knee~1015eV
系起源
α~2.7
• Ankle以上:銀河系
外起源
α~3.0
• Knee~ankle:両方
の混合
Ankle~1018 eV α~2.8
新潟大学集中講義
©Wikipedia
54
宇宙線のエネルギー収支
エネルギー密度: ~1eV/cc
銀河全体
V~π(20kpc)^2*100pc~3e66cm3
E~5e54 erg
宇宙線の年齢:~1e7 yr (同位体比など)
エネルギー供給: 1e48 erg/yrが必要
超新星爆発: 100年に1発1049 erg/yr
(宇宙線の超新星起源説の根拠の一つ)
新潟大学集中講義
55
X線シンクロトロンの意味
電子がknee近くまで超新星残骸で加速
電子が加速されていれば、陽子も加速され
ているだろう(これは推測だが…)
銀河系宇宙線の起源(の一つ)は、超新星残骸
新潟大学集中講義
56
電子のスペクトル
フィラメントのX線のphoton index Γ=2.1~2.3
加速電子のスペクトルもpower-law
電子のエネルギー分布 N(E)∝E^-p
Γ=(p+1)/2  p~3
Power-lawを生みだす機構は?
新潟大学集中講義
57
統計加速
磁場を持つ分子雲が粒子を弾き飛ばす。
正面衝突が多いので、全体として加速。
新潟大学集中講義
58
散乱による加速
実験室系 V
散乱体静止系
′




′
′

′
=

+

 = +


∼

+

∼+
 =   ≪ 1,
新潟大学集中講義


=1
1 − 2 ∼ 1
59
散乱による加速
散乱体静止系
実験室系
′′

’

−′′
−′
′′

=
′′
V
′
+′

′
 =  +
∼
′

′


′
+ ∼ +2∼(1+2)



′
∼ +
′

∼+
 =   ≪ 1,  = 1
新潟大学集中講義

2 
1 − 2 ∼ 1
60
エネルギーゲイン
先の例: Δ = 2
1回の散乱で得るエネルギーが、
Δ = 
になっているとする。 金持ち勝つ!
平均の衝突時間を として、 =  ×

  = 0  
新潟大学集中講義



61
落ちこぼれもいる
変な方向に散乱されて、系から逃げ出す粒子もい
る。1回の散乱で漏れ出す確率をPとして、

 = −

  = 0 
新潟大学集中講義
−



62
粒子エネルギー分布
  = 0


=



 


−
∝

  = 0 


+

 

∝ 

=
−





−
(1+ )


 

−(1+ )

「金持ち勝つ」と、「落ちこぼれ」がポイント
新潟大学集中講義
63
日本の貯蓄額分布(H23年)
1000万円以上
べき-1.3のpower-law
中央値991万円
平均値1664万円
この国は「金持ち勝つ」か?
新潟大学集中講義
64
Fermi 2次加速
V
正面衝突と、背面衝突の頻度の差で加速。
Δ ∝   2 。Fermiの2次加速。効率良くない。
新潟大学集中講義
65
効率をあげるには?
Fermi 2次加速
正面衝突と背面衝突の差
正面衝突ばかり起こる状況はないか?
新潟大学集中講義
66
衝撃波加速
衝撃波静止系
衝撃波は、互いに迫り
V/4
V
よる「壁」を実現。
正面衝突だけ発生。
下流静止系
3V/4
V/4
実験室系=上流静止系
3V/4
新潟大学集中講義
V
67
衝撃波加速
新潟大学集中講義
68
衝撃波加速 (Fermi 1次加速)
Δ =
4

3
( =
4
)
3
4
=
3
高原文郎「天体高エネルギー現象」など

∝ 


− 1+

=
−2
SNR電波シンクロトロンΓ=(p+1)/2~1.5
p~2を示唆
SNR X線シンクロトロン Γ~2.5p~4
新潟大学集中講義
69
フィラメントの幅
フィラメント射影
2-10keV
0.4-0.8keV
rL ~ 1 pc[
E
B 1
][
]
10TeV 1mG
ショック上流~4秒角(0.04pc) 下流~20秒角(0.2pc)
E
B 1
rL ~ 1 pc[
][
]
ラーマー半径
10TeV 1mG
新潟大学集中講義
70
磁場と最大エネルギーの推定
Yamazaki et al. 2004
フィラメントの幅
…shock速度、拡散係数、粒子の最大エネル
ギー、拡散時間
新潟大学集中講義
71
加速にいくエネルギーの割合
フィラメント中で、
熱的n1_e~0.45cm^-3
非熱的n2_e~6.2e-4cm^-3
効率 n1/n2 ~ 1.4e-3
(Bu=10uG, Bd=40uG)
エネルギー密度
磁場 6.4e-11 erg/cm^3
熱的 2.6e-10
非熱的 6.9e-11
新潟大学集中講義
72
SNR RXJ1713.7-3946
Chandra image
Uchiyama et al. 2007
X線フィラメントが数年で点いたり消えたりする。
新潟大学集中講義
73
Coolingで消えるのか?
エネルギーEの電子のシンクロトロン放射
2
4 
= 3
9


2
E
= 2.54 × 10  
1TeV
3


∼   = 12.5
1 1
2
−2
B
1mG
2
シンクロトロン放射でエネルギー の光子を
出す電子の寿命
−1.5
−0.5


 ∼ 3.2
1
1
ミリガウスの磁場が必要
新潟大学集中講義
74
加速で点くのか?


往復のタイムスケール  ∼
l: 平均自由行程、: ショック速度
高原文郎「天体高エネルギー現象」など
加速のタイムスケール
 ∼   ∼ ( )/( ) =   2 ∼ / 2
拡散係数 ∼  ∼


∼ 0.36
1
−1





1 3000  
新潟大学集中講義
−2
75
加速で点くのか?
加速のタイムスケール


∼ 0.36
1
∼ 1.4
−1


1 3000  
−2
−2
 −1.5  0.5

1
1
3000 
ミリガウスの磁場が必要
新潟大学集中講義
76
いま発展中の研究
ここまでの話は、かなり単純化された
ものです。
• 磁場の増幅機構
• 宇宙線による衝撃波へのフィードバック
• 宇宙線の逃げ出しの詳細
など。
新潟大学集中講義
77
一番の問題は
宇宙線: 主成分陽子 SNR: 電子の加速
陽子はどこで加速されているのか?
新潟大学集中講義
78
ヒント
TeVガンマ線天体
Chaves et al. 2009 arXiv:0907.0768v1
新潟大学集中講義
79
TeVガンマ線起源
• 高エネルギー電子起源
–電子が低エネルギー光子(CMBなど)を逆
コンプトン散乱で蹴飛ばして、TeVガンマ線
–電子は、磁場に巻きついてX線を出す
• 高エネルギー陽子起源
–陽子が星間物質と衝突。
–π0粒子発生
–π0粒子が崩壊して、TeVガンマ線
新潟大学集中講義
80
X線で非常に暗いTeV天体がある
HESSJ1616-508
X-ray
TeV
F(TeV)=1.7e-11 erg/s/cm2 F(X)<3e-13 erg/s/cm2
Matsumoto et al. 2007
電子がない。TeVは陽子起源か?
新潟大学集中講義
81

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