新星 晩期型星 or 赤色巨星 (IR ~ Optical) 白色矮星 (X-rays) 降着円盤 (Optical ~ UV) 2/59

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1 X 線による古典新星の研究 京都大学 武井大 ( 立教大学 )

2 新星 晩期型星 or 赤色巨星 (IR ~ Optical) 白色矮星 (X-rays) 降着円盤 (Optical ~ UV) 2/59

3 3/59

4 4/59 擬似光球 (Optical (Optical) ~ UV)

5 5/ 擬似光球 (Optical ( 超軟 X ~線 UV) )? ダスト? (Near-IR)

6 1 擬似光球 ( 超軟 X 線 ) 2 衝撃波 ( 熱的 X 線 ) 6/59 3 加速した粒子? ( 非熱的 X 線 )

7 もくじ 1. 古典新星について - 古典新星とX 線 - X 線観測の意義 2. X 線による観測 - 方法と装置の紹介 - すざく衛星による観測結果の紹介 3. 議論 4. まとめと展望 7/59

8 星 ( 恒星 ) の一生と 白色矮星 恒星は中心の核融合による圧力と重力収縮が均衡したシステム 質量により進化シナリオが異なる 8M 以下. : 8~20M. : 20M 以上. : 白色矮星 中性子星 ブラックホール 白色矮星は恒星の取り得る 3 つの最終形態のうちの 1 つ 8/59

9 9/ 白色矮星の大きさ 地球 R ~ 6400 km 白色矮星 R ~ 6000 km 太陽 ( 恒星 ) R ~ km 中性子星 R ~ 10 km ブラックホール R ~ 2GM/c 2

10 10/59 Primary Star (White Dwarf) Degenerate star (electron degenerate) - Mass limit : M ch ~ 1.4 M. (Chandrasekhar 1931) Mass-Radius relation - More massive WDs are smaller (Nauenberg 1972) (Light) (Heavy) CO ONe

11 古典新星と X 線 硬 X 線質量降着 (2&3) ( 主に水素のガス ) 質量降着エジェクタ ( 主に水素のガス ) ( 核燃焼の生成物 + 白色矮星の物質 ) N O C Mixing? 超軟 X 線 (1) TNR ( 軽い ) CO ONe C O N Mg 白色矮星の表面が体積物 Ne 高温かつ高圧になる Si ( 主に水素のガス ) TNR ( 重い ) Mixing? 11/59 Mixing...? TNR : Thermo Nuclear Runaway

12 典型的な光度曲線 IR Radio 2 熱的 X 線? 1 超軟 X 線? 3 非熱的 X 線? (+ ガンマ線...?) 12/59 Bode, M. F. 2009, Astronomische Nachrichten, in press. (arxiv: )

13 もくじ 1. 古典新星について - 古典新星とX 線 - X 線観測の意義 2. X 線による観測 - 方法と装置の紹介 - すざく衛星による観測結果の紹介 3. 議論 4. まとめと展望 13/59

14 14/59 研究の意義 とにかく数が多い ( 超新星爆発の約千倍 ) a. 最後には超新星爆発 (Ia 型 ) を起こす? b. 飛び散ったガスは銀河の化学組成に効く? c. 宇宙線粒子加速への寄与は? X 線 ガンマ線の観測データは皆無高エネルギー放射はどこから来るのか? 誰もやっていない ( 最重要項目!) 観測装置の発達と人脈で可能となった論文が書きやすい ( 1 paper source -1 )

15 a. 超新星爆発への道 静穏状態 Ia 型超新星爆発? 爆発時 質量増加... 15/59 質量損失... 超軟 X 線から WD の質量推定 熱的 X 線からエジェクタの診断 質量推移の見積もりが可能 極めて良質な観測が必要... ;

16 16/59 b. 銀河の化学組成 古典新星は超新星爆発よりも圧倒的に数が多い エジェクタの化学組成は銀河にも影響する? 個々の古典新星は熱的 X 線から調査が可能 多くの観測結果からの系統的な理解が重要となる WD 速度の違いにより衝撃波が形成 X 線 エジェクタからの X 線

17 17/ c. 宇宙線の起源 現在 宇宙線の起源は超新星残骸という説が有力 古典新星の爆発は超新星爆発と類似点が多い 超新星と同様に衝撃波で粒子が加速されるかも? SNR (SN 1006) Shock Wave 上流 下流 Diffusive Shock Acceleration

18 18/59 研究の意義 とにかく数が多い ( 超新星爆発の約千倍 ) a. 最後には超新星爆発 (Ia 型 ) を起こす? b. 飛び散ったガスは銀河の化学組成に効く? c. 宇宙線粒子加速への寄与は? X 線 ガンマ線の観測データは皆無 高エネルギー放射はどこから来るのか? 誰もやっていない ( 最重要項目!) 観測装置の発達と人脈により可能となった 論文が書きやすい ( 1 paper source -1 )

19 もくじ 1. 古典新星について - 古典新星とX 線 - X 線観測の意義 2. X 線による観測 - 方法と装置の紹介 - すざく衛星による観測結果の紹介 3. 議論 4. まとめと展望 19/59

20 20/59 X 線による観測の現状 1. 古典新星が発見される

21 21/59 e.g., Classical Novae : V5582 Sagittarii : V1213 Centauri : V5581 Sagittarii : V5583 Sagittarii : V2672 Ophiuchi : V5584 Sagittarii : V496 Scuti : KT Eridani : V1722 Aquilae ( 高兴 ) (G. Pojmanski) ( 西山浩一, 椛島富士夫 ) ( 西山浩一, 椛島富士夫 ) ( 板垣公一 ) ( 西山浩一, 椛島富士夫 ) ( 西村栄男 ) ( 板垣公一 ) ( 西山浩一, 椛島富士夫 )

22 X 線による観測の現状 1. 古典新星が発見される - 可視の最大光度やスペクトルから判断して Swift 衛星で短時間の即応観測 22/59

23 Swift 衛星 NASA の γ 線バースト探査衛星 (2004 年 11 月 20 日 ) 非常に素早く衛星の向きを変更する事が可能 空き時間に古典新星などの追観測も実施 γ 線バーストアラート望遠鏡 (BAT) X 線望遠鏡 (XRT) 可視 - 紫外線望遠鏡 (UVOT) 23/59

24 24/ X 線望遠鏡 (XRT)

25 25/59 Page, K. L., et al. 2009, MNRAS, 1602 Swift 衛星の観測 (e.g., V2491 Cyg)

26 X 線による観測の現状 1. 古典新星が発見される - 可視の最大光度やスペクトルから判断して Swift 衛星で短時間の即応観測 - X 線が検出された場合は 様々な衛星で詳細分光観測 26/59

27 Chandra 衛星 NASAのX 線天文衛星 (1999 年 7 月 23 日 ) Great Observatories 計画第 3 弾現在最高の空間分解能を持つ X 線 CCDカメラ (ACIS-I, ACIS-S) X 線透過型回折格子 (LETG, METG, HETG) X 線高解像度カメラ (HRC)

28 XMM-Newton 衛星 ESAのX 線天文衛星 (1999 年 12 月 10 日 ) 現在最高の集光力を持つ X 線 CCDカメラ (EPIC-MOS, EPIC-PN) X 線分散分光器 (RGS) 可視光モニター (OM)

29 29/59 Page, K. L., et al. 2009, MNRAS, 1602 Ness, J.-W., 2007 ( X 線分散分光器による観測 Swift 衛星のスペクトル NVII 明るい状態のみ観測が可能 NVI OVIII

30 すざく衛星 日本で5 番目のX 線天文衛星 (2005 年 7 月 10 日 ) 高い分光能力と集光力 低いバックグラウンド 4 桁もの広いエネルギー帯域で同時観測が可能 X 線 CCDカメラ (XIS) 硬 X 線検出器 (HXD) X-ray Satellite Suzaku ( すざく ) 30/59

31 31/ Suzaku すざく衛星の検出器 XRS XIS HXD (0,1, 2,3) (PIN,GSO) Bandpass 0.2 ~ 12 kev 15 ~ 600 kev Spatial Resolution Not-Working... ~2 arcm. (HPD) N/A Energy Resolution ~130 6 kev ~4.0 kev (PIN) Time Resolution 8 sec 61μsec

32 すざく衛星と古典新星 高集光力 中分光能力 低バックグラウンド 広いエネルギー帯域 ( kev) 10 kev 以上での高い感度...> 即応観測を実施 32/59

33 X 線による観測の現状 1. 古典新星が発見される - 可視の最大光度やスペクトルから判断して Swift 衛星で短時間の即応観測 - X 線が検出された場合は 様々な衛星で詳細分光観測 - 結果を本講演にて紹介! 33/59

34 もくじ 1. 古典新星について - 古典新星とX 線 - X 線観測の意義 2. X 線による観測 - 方法と装置の紹介 - すざく衛星による観測結果の紹介 3. 議論 4. まとめと展望 34/59

35 35/59 ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey ( kev) Suzaku View : Classical Novae 3 V2491 Cyg ( ) - Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54 - Takei et al. (2010), AN, 331, Takei et al., in prep. 5 U Sco ( ) - Takei et al., in prep. 2 V458 Vul ( ) - Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69 4 V2672 Oph ( ) - Takei et al., in prep. 1 Suzaku J ( ) - Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

36 36/59 Bode, M. F. 2009, Astronomische Nachrichten, in press. (arxiv: ) 光度曲線と観測時期 V2491 Cyg (2 回 ) V2672 Oph (2 回 ) V458 Vul (1 回 ) Suzaku J (1 回 ) IR U Sco (3 回 ) 2 熱的 X 線 Radio? 3 非熱的 X 線?? 1 超軟 X 線

37 37/59

38 38/59 ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey ( kev) Suzaku View : Classical Novae 3 V2491 Cyg ( ) - Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54 - Takei et al. (2010), AN, 331, Takei et al., in prep. 5 U Sco ( ) - Takei et al., in prep. 2 V458 Vul ( ) - Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69 4 V2672 Oph ( ) - Takei et al., in prep. 1 Suzaku J ( ) - Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

39 39/59 Takei et al. 2008, PASJ, 60, S231 Discovery of Suzaku J Serendipitous discovery of a transient source during a series of routine calibration observations of 1E Position reconstructed; Outside of the XIS FoV.

40 40/59 Takei et al. 2008, PASJ, 60, S231 Suzaku J : Position X-ray Source Optical Source (B0) Error

41 41/59 Takei et al. 2008, PASJ, 60, S231 Suzaku J : Light Curve Decline of the brightness... Suzaku (XIS) Chandra (ACIS) x10 3 Duration is a function of white dwarf mass.

42 42/59 Takei et al. 2008, PASJ, 60, S231 Suzaku J : Spectrum Continuum - Blackbody ( kt ~ 72±2 ev ) WD Atmosphere - O VII Absorption Edge (τ ~ 1.2 ) Small Magellanic Cloud : 60 kpc - L bol ~ erg s -1 - R WD ~ 10 8 cm All these properties indicate that this is a super-soft source. The temperature and duration are functions of the WD mass. - WD Mass ~ 1.2 M.

43 43/59 ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey ( kev) Suzaku View : Classical Novae 3 V2491 Cyg ( ) - Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54 - Takei et al. (2010), AN, 331, Takei et al., in prep. 5 U Sco ( ) - Takei et al., in prep. 2 V458 Vul ( ) - Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69 4 V2672 Oph ( ) - Takei et al., in prep. 1 Suzaku J ( ) - Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

44 44/59 Classical Nova V2491 Cygni - Discovery on 2008 April (UT) (Nakano et al. 2008, IAUC, 8934, 1) - Swift detected X-rays on day 5 (Page et al. 2009, MNRAS, submitted.) - XMM-Newton observed on day 40 and 50 (Ness et al. 2009, in prep.; Takei et al. 2009, in prep.) - X-rays were detected in the pre-nova phase (Ibarra et al. 2009, A&A, 497, L5)

45 45/59 The optical data were provided by the variable star observations from AAVSO International Database and VSOLJ Observation Database V2491 Cyg : 光度曲線 Day 29 Day 9

46 46/59 Takei et al.,2009, ApJL, 697, 54 V2491 Cyg : スペクトル (Day 9) 古典新星から史上最高の 70 kev まで伸びる超硬 X 線スペクトルを検出!! (Takei et al. 2009, ApJL, 697, 54)

47 47/59 Takei et al.,2009, ApJL, 697, 54 V2491 Cyg : スペクトル (Day 9) (Γ= 0.1)

48 Discussion Photon X-ray 48/59 Non-thermal particles - Theoretical works (e.g., Tatischeff & Hernanz 2007) - Radio synchrotron (RS Oph) (e.g., Rupen et al. 2008) - Gamma-ray obs. (V407 Cyg) (Cheung et al. 2010) What is the origin of the very flat power-law spectra...? Magnetic Field + Proton - Electron - Electron Electron - X-ray X-ray 1 2 3

49 Discussion Photon X-ray 49/59 Power-law Spectrum - Photon Index - Energy Index - Photon Flux - Energy Flux Electron Population - Distribution - 1 IC, 2 Sync. - 3 Bremss. - Number Index : Γ = 0.1 : α =Γ- 1 : F P (E) E -Γ : F E (E) E -α : N e (E) E -P : P 2Γ- 1 : P Γ- (1/2) : P -0.4 Let s compare the value with that of acceleration models!! Magnetic Field + Proton - Electron - Electron Electron - X-ray X-ray 1 2 3

50 50/ Standard Acceleration Model Diffusive Shock Acceleration model (P 2.0) (e.g., Blandford & Ostriker 1980, ApJ, 237, 793) Flat population cannot be explained... (Takei et al. 2009, ApJL, 697, L54) よくわからない物を新たに発見した SNR (SN 1006)! Shock Wave Upstream Downstream Diffusive Shock Acceleration

51 51/59 昨日に新たな展開!! β + 崩壊 ( 22 Na - 22 Ne) のガンマ線輝線 (511keV+ 1.27MeV) とコンプトン散乱で説明可能らしい... (Suzuki & Shigeyama 2010, ApJ, Submitted)

52 52/59 ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey ( kev) Suzaku View : Classical Novae 3 V2491 Cyg ( ) - Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54 - Takei et al. (2010), AN, 331, Takei et al., in prep. 5 U Sco ( ) - Takei et al., in prep. 2 V458 Vul ( ) - Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69 4 V2672 Oph ( ) - Takei et al., in prep. 1 Suzaku J ( ) - Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

53 53/59 Classical Nova V2672 Ophiuchi - Discovery on 2009 August (UT) (Nakano et al. 2008, CBET, 1910, 1) - Swift detected X-rays on day 1 (Schwarz et al. 2009, ATel, 2173, 1) - Suzaku observed on days 12 and 22 (Takei et al., in prep.)

54 54/59 The optical data were provided by the variable star observations from the AAVSO International Database contributed by observers worldwide and used in this research. V2672 Oph : Light Curve Day 12 Day 22

55 55/59 V2672 Oph : X-ray Spectra Spectral Intensive evolution Si emission!! line!!

56 もくじ 1. 古典新星について - 古典新星とX 線 - X 線観測の意義 2. X 線による観測 - 方法と装置の紹介 - すざく衛星による観測結果の紹介 3. 議論 4. まとめと展望 56/59

57 57/59 はさておき...

58 59/59 まとめと展望 新星の X 線観測はようやく可能となってきた 爆発初期の観測は新発見の宝庫 爆発中期の観測からは爆発の描像がわかる 爆発後期の観測から白色矮星の状態がわかる 非熱的 X 線の発見による新たな展開 新たな描像の構築が必要不可欠 新星も宇宙の粒子加速に寄与しているかも? 他から同様の放射を検出して 放射起源に迫りたい 博士論文 今後の観測に乞うご期待!

2 X-ray 6 gamma-ray 7 1 17.1 0:38m 0:77m nm 17.2 Hz Hz 1 E p E E = h = ch= (17.2) p = E=c = h=c = h= (17.3) continuum continuous spectrum line spectru

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