目次 1 イントロダクション 宇宙磁場の起源 2 宇宙論的磁場の生成 3 ガンマ線エコー 4 電波による磁場観測 5 Square Kilometer Array 6 SKAで探る銀河 宇宙進化

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1 宇宙磁場の起源と SKA 高橋慶太郎熊本大学 2011 年 11 月 9 筑波大学

2 目次 1 イントロダクション 宇宙磁場の起源 2 宇宙論的磁場の生成 3 ガンマ線エコー 4 電波による磁場観測 5 Square Kilometer Array 6 SKAで探る銀河 宇宙進化

3 1 イントロダクション 宇宙磁場の起源

4 地球磁場の起源 地球磁場の起源は現代物理学最大の謎の 1 つである しかし地球だけでなく宇宙の様々な天体が固有の磁場を持っている

5 銀河 銀河団磁場 シンクロトロン 磁場中の電子が出す放射 電子密度と縮退 j neb Coma 銀河団 Kim et al., 1989 Abell 1367 渦巻銀河 Beck & Hoernes, 1996 ~ 1μG ガスの運動エネルギーと同じくらい

6 12 10 G 9 10 G 6 10 G 3 10 G 中性子星 白色矮星 活動銀河核 宇宙磁場 磁場は天体の活動性に密接に関わっている 1 G 1mG 1mG 1nG 地球 太陽 超新星残骸 銀河 銀河団 宇宙論的 6 1km 10 km 1pc 1kpc 1Mpc size

7 磁場の起源 ( 現代版 ) 宇宙磁場の起源 様々な天体の磁場の起源は何か?( 銀河 銀河団 ) 宇宙論的磁場 ( 天体に付随しない磁場 ) は存在するか? B < 1nG SDSS ボイド大きさ ~10Mpc 占有体積 ~40% 密度 ~ 平均の 10%

8 宇宙論的磁場の役割 1 銀河 銀河団磁場の起源 ~ Gの種磁場 ダイナモによって増幅 現在のμGの磁場へ発展 宇宙論的磁場の存在で磁場の起源を説明 2 初期天体 ( 星 銀河 ) 形成への影響原始ガスはとても薄いので10-15 Gでもダイナミクスに影響する 3 初期宇宙の様々な現象がその痕跡を磁場として残すインフレーション 相転移 密度ゆらぎ再イオン化 構造形成 講演前半 : 初期宇宙での磁場生成とその観測的検証

9 2 宇宙論的磁場の生成

10 宇宙の歴史 インフレーションビッグバン相転移元素合成 z ~ 109 再結合 z = 1000 構造形成再イオン化 z ~ 10 現在

11 再イオン化による磁場生成 Langer et al., 03, 05 Susa et al., 10 初期宇宙物質は全てイオン化している z = 1000 原子核と電子が結合して宇宙は中性化 z ~ 10 何らかの天体からの紫外線で再びイオン化このとき磁場が生成されるかもしれない 再イオン化自体がまだあまり理解されていないので磁場の評価にも不定性があるが Gauss くらい?

12 原始密度ゆらぎによる磁場生成 1 再結合以前 光子 陽子 電子のプラズマ with ゆらぎトムソン散乱 電磁力で相互作用 光子の風は軽い電子をひきずる 陽子と電子のずれ 電場 電流の生成 磁場生成 ただし電場 電流の回転成分が必要 非線形効果 ( 摂動 2 次 ) を入れなければならない 光子 KT et al. 05, 06, 07, 08, 11 トムソン散乱 陽子 電子 クーロン電場

13 原始密度ゆらぎによる磁場生成 2 宇宙全体を磁場が満たす! 宇宙背景放射のゆらぎと相関した磁場 宇宙論的磁場の存在 銀河や銀河団磁場の起源 KT et al., 2006

14 定式化 発展方程式 : 宇宙論的摂動論 一般相対論 アインシュタイン方程式 ( 重力 ) ボルツマン方程式 ( 光子 ニュートリノ ) プラズマ ( 陽子 電子 電磁場 ) 流体 ( ダークマター ) 磁場の発展方程式 非線形効果 ( 通常は無視される ) 初期条件 : インフレーションによる量子ゆらぎ

15 磁場スペクトル 磁場 (log B (G)) 地平線スケール -25 ~ 10 G 他にも磁場生成メカニズムはあるが すでに観測されている密度ゆらぎ ( 線形で ) 確立している宇宙論的摂動論に基づくこのメカニズムは最も不定性が小さく信頼できると評価されている 1Gpc 1Mpc 1kpc 1pc スケール cutoff at 100AU ~ G

16 宇宙磁場の生成と観測 磁場生成 インフレーション 相転移 密度ゆらぎ 構造形成 再イオン化 痕跡として磁場を残す 非常に弱い (10-25 ~10-15 G) 微弱な宇宙磁場の観測 理論の検証 磁場によって初期宇宙を探る

17 3 ガンマ線エコー

18 宇宙論的磁場の観測 CMB 磁場により CMB の温度 偏光ゆらぎが生成 Faraday rotation 遠方の電波天体の偏光 現在の制限 :B < 1nG G はかなり難しい Plaga の方法 (Plaga, 1994) ガンマ線バーストや blazar などの天体からのガンマ線エコーを使って非常に弱い磁場を測る B = ~10-20 G 現在のところ最も強力な方法 Yamazaki, Ichiki & KT, 2011

19 ガンマ線エコー ガンマ線バーストや blazar を使った磁場測定法 ガンマ線エコー TeV ガンマ線と背景赤外線との対消滅による 2 次ガンマ線 GeV-TeV の同時観測が必要 Fermi 衛星 MAGIC, VERITAS, CTA intrinsic observed Mkn501

20 カスケード CMB 背景光子 (ev) γ 線 (TeV) e ± 対生成 γ e ~10 6 inverse Compton CMB γ 線 (GeV) TeV ガンマ線が GeV ガンマ線に変換される

21 遅延ガンマ線 赤外線 CMB γ 線 (TeV) e ± IC γ 線 (GeV) エコー GRB, AGN γ 線 (MeV) 磁場 磁場によって到着が遅れる 遅延時間に磁場の情報あり

22 典型的な数字 IR E IR 0.1eV E 1TeV 1 E CMB pa E 0.6GeV 1TeV 2 E 1TeV 2Mpc n 1cm IR 3 1 IC E 0.4Mpc 1TeV t B Edelay B 0.5day 20 1GeV 10 G

23 理想的な状況 GRB blazar ~ 10Mpc e ± の伝搬領域の磁場を測定

24 エコースペクトル t B 2 2 Epa B 0.5day 20 1GeV 10 G バーストが終わった後にエコーが残る

25 Mkn501 Abdo et al., 日にわたる多波長観測 ( 少なくとも )3 日間のフレア

26 Fermi 光度曲線 この 30 日の間に 3 日間の TeV フレアが観測された

27 ガンマ線スペクトル フレア期 定常期

28 ガンマ線エコーフラックス 観測の上限に引っかからないためには磁場がある程度強くなくてはならない 磁場に下限がついた!(KT et al., 2011)

29 まとめ ガンマ線エコー TeVガンマ線の対消滅による遅延 2 次ガンマ線 Mkn501のフレアのGeV-TeVの同時観測 GeVフラックスへの上限から磁場に下限 ~10-20 G 似ているが本質的に異なる過程に基づく方法でも同様の制限が得られている (Neronov & Vovk, 2010, Ando & Kusenko, 2010) 他の天体:Mkn421やGRBなど TeVガンマ線の将来計画 CTAも視野に入れて

30 4 電波による磁場観測

31 電波による磁場観測 ファラデー回転偏光した電磁波が磁化したプラズマを通過するとその偏光面が回転する rotation measure radio pulsar B 宇宙論的磁場 ( ボイド ) そのものの観測は難しいが

32 ファラデー回転 sources ターゲットの背後にある たくさんの電波源を観測 target LMC背後の292個の天体 観測者 Gaensler et al., 2005 大規模構造磁場も同様に

33 磁場の進化 宇宙の進化 1 宇宙初期でのガスのわずかなゆらぎが重力で進化し やがて天体を形成する

34 磁場の進化 宇宙の進化 2 宇宙論的磁場も物質とともに進化する Akahori & Ryu, 2010, μg B 10μG 大規模構造に付随する磁場の観測を目指す 未発見 宇宙論的磁場を探る

35 磁場の進化 宇宙の進化 3 Akahori & Ryu, 2010, 2011 大規模構造に付随する磁場 1 本につき 1rad/m 2 程度ランダムウォークで several~10

36 戦略 ただし大規模構造磁場はそう簡単に観測できない 銀河系磁場 ( 極方向 )~ O(10) rad/m 2 大規模構造磁場 ~ O(1) rad/m 2 どのように大規模構造磁場の情報を引き出すか? 天球面上でRM 分布をフーリエ変換し 小スケールを見る (Akahori & Ryu, 10, 11) たくさんの電波源が必要 詳細な銀河磁場モデルを構築し差し引く たくさんの電波源の高精度観測が必要 Faraday tomography 広帯域の電波観測が必要 現在の望遠鏡では性能が足りない 次世代電波望遠鏡が必要

37 5 Square Kilometer Array

38

39 SKA は直径 1km の電波望遠鏡を作るのか?

40

41

42 オーストラリアの砂漠南アフリカも候補地

43

44 Square Kilometer Array 次世代大型センチ波望遠鏡規模 :2000 台の望遠鏡 2000 億円帯域 :0.1-10GHz( センチ波 ~メートル波 ) 場所 : オーストラリアまたは南アフリカ特徴 : 高感度 広帯域 広視野 観測可能な電波源がこれまでの 100 倍くらいになる 完成予定 :2019 (phase 1: 10% SKA) 2024 (phase 2: full SKA) path finder:askap, MeerKAT, LOFAR (1% SKA)

45 SKA Key Science 多彩なサイエンス 宇宙の暗黒時代 銀河進化 宇宙論 宇宙磁場の起源と進化 パルサーと一般相対論の検証 宇宙における生命

46 国際的状況 preparatory phase から pre-construction phase へ コンセプトは固まった 2016 年の phase 1 建設を目前にして詳細なデザイン そのためにどういうサイエンスをやるか詳細な検討 pathfinder, precursor (1% SKA) LOFAR( 欧 ) 初期成果 ASKAP( 豪 )2013 年 ~ MeerKAT( 南ア )2016 年 ~

47 SKA-Japan Consortium 年設立年設立理論 観測 産業界から 95 人 28 機関 100 人程度 世話人 中西裕之 ( 鹿児島大学 ) 高橋慶太郎 ( 熊本大学 ) 萩原喜昭 ( 国立天文台 ) 亀谷收 ( 国立天文台 ) Science Working Group 高橋慶太郎 ( 熊本大学 ) Industry Forum 熊澤寿樹 ( 東陽テクニカ ) Ultra-Wideband をキーワードとしてサイエンスの検討 受信機の開発を行う 宇宙磁場赤堀卓也 (KASI) AGN 川勝望 ( 筑波大学 ) 銀河進化 宇宙論平下博之 (ASIAA) アストロメトリ今井裕 ( 鹿児島大学 ) パルサー亀谷收 ( 国立天文台 ) 星間化学山本智 ( 東京大学 )

48 国際共同研究 韓国宇宙磁場 ( 高橋 赤堀 ) VLBI( 今井 ) イギリスデジタル分光器開発 ( 中西 ) 南アフリカ宇宙論 ( 高橋 ) オーストラリア ASKAP 参加 ( 赤堀 中西 今井 ) 宇宙磁場 ( 赤堀 高橋 )

49 ワークショップ /4-5 SKA-JAPAN workshop 日本の戦略を検討 /30-12/2 Workshop on East-Asian Collaboration for SKA 東アジアとして SKA に向け協同体制を構築する

50 6 SKA で探る 銀河 宇宙進化

51 メンバー SWG subgroup 銀河進化 宇宙論 平下博之 (ASIAA: 共同代表 ) 竹内努 ( 名古屋大 : 共同代表 ) 市來淨與 ( 名古屋大 ) 横山修一郎 ( 名古屋大 ) 関口豊和 ( 名古屋大 ) 井上進 ( 宇宙線研 ) 高橋慶太郎 ( 熊本大 ) その他

52 研究テーマ ガス吸収線による銀河 宇宙進化史の解明 研究目的 : SKA による電波観測 特に 21cm 吸収線の観測により 原始銀河の性質 宇宙再電離 宇宙論パラメータなどの情報がどれほど得られるか明らかにする S. Furlanetto

53 21cm 線吸収 水素原子の超微細構造 Lyα と同じような使い方ができる 源からの連続光が赤方偏移されながら吸収される 21cm forest 電子陽子 21cm 電波 (1.4GHz) SKA 帯域 : 0.1 (0.07) - 10GHz 0.1GHz z = GHz z = 19 短波長長波長 low-z high-z

54 研究背景 銀河の観測 : 宇宙構造形成研究の基本 可視光の観測では明るいものに偏る まだあまり星が形成されていない原始銀河はもれる 星形成史の研究にとっては致命的 クエーサー背景光 +Lyα 吸収によるガスの観測 光っていないものを見ることができる ダスト減光によるバイアス? 吸収が大きすぎる 背景光 +21cm 吸収によるガスの観測 ダスト減光なし 断面積が小さく高柱密度でも観測できる 再電離以前まで観測可能 z > 10ではクェーサーが急減するのでPop III GRBも使う

55 21cm 線吸収から何がわかるか? スピン温度を介してガスの状態を探る (Kanekar et al. 2009) 宇宙背景輻射との相互作用 星間輻射場 (Lyα) との相互作用 ガスの相変化 原始銀河の統計的サンプル スペクトルから視線方向のクラスタリング サンプルが密にあれば角方向のクラスタリング 密度揺らぎの大きさがわかる

56 研究方法 Lyα と基本的には同様 Lyα を calibration に使う 吸収体 (minihalo) の宇宙論的シミュレーション ( 個数 クラスタリング ) 星形成率 ( ガスの量 ) クエーサーの分布のシミュレーション N-body+SPH ( 名大の専用クラスタ ) 小スケール ( 星間雲 ) のガスの状態のモデリング上記の大規模構造計算に統計的に組み入れる 2013 年から観測が開始される ASKAP から情報提供

57 研究体制

58 SKA-Japan コンソーシアム Science Working Group へのご参加をお待ちしております

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