X線天文学と 宇宙の高エネルギープラズマ

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 銀 河 銀 河 団 プラズマ 天 の 川 銀 河 中 心 プラズマ 新 潟 大 学 集 中 講 義 2

天 の 川 銀 河 想 像 図 Wikipedia 8.5kpc 新 潟 大 学 集 中 講 義 3

銀 河 中 心 (GC)までの 星 間 吸 収 赤 外 電 波 GC 見 えない X 線 ガンマ 線 NH=10 22 ~10 23 cm -2

星 間 吸 収 X 線 観 測 での 星 間 吸 収 は ほとんどが 光 電 効 果 σ Z 5 E 3 星 間 物 質 に 含 まれている 重 元 素 が 効 く ( 水 素 ヘリウムはほとんど 吸 収 しない) 新 潟 大 学 集 中 講 義 5

星 間 吸 収 実 際 に 吸 収 するのは 重 元 素 しかし X 線 天 文 では 太 陽 組 成 を 仮 定 し 視 線 方 向 に 単 位 面 積 (1cm^2)の 筒 を 考 え その 中 に 含 まれる 水 素 量 で 表 現 新 潟 大 学 集 中 講 義 6

C N H = 10 20 cm 2 O 星 間 吸 収 Fe Mg Ne S Si Power-law Photon index 2 10 21 cm 2 Fe 10 22 cm 2 10 23 cm 2 10 24 cm 2 10 25 cm 2 新 潟 大 学 集 中 講 義 7

星 間 吸 収 の 例 NH=1e20~1e21 cm^-2 銀 緯 の 高 い 天 体 NH=1e21~1e23 cm^-2 天 の 川 銀 河 中 心 天 体 NH>1e24 cm^-2 Compton thick AGN (N H 1 σ Th 10 24 cm 2 ) 新 潟 大 学 集 中 講 義 8

銀 河 中 心 銀 河 面 X 線 放 射 銀 河 面 全 体 に diffuseなx 線 が 存 在 新 潟 大 学 集 中 講 義 9

てんま 衛 星 による 観 測 銀 河 面 の 天 体 の 無 い 所 を 見 た Koyama et al. 1986 新 潟 大 学 集 中 講 義 10

至 る 所 から6.7keV 鉄 輝 線 が 出 た Koyama et al. 1986 新 潟 大 学 集 中 講 義 11

ぎんが 衛 星 によるサーベイ 1.1-18.5keV 強 度 分 布 Yamauchi & Koyama 1993 左 下 縦 軸 拡 大 銀 径 6.7keV 鉄 ライン 分 布 新 潟 大 学 集 中 講 義 12

Chandraによる 銀 河 中 心 X 線 イメージ Wang et al. 2002, Nature, 415, 148 20arcmin ~ 60pc たくさんの 点 源 (X 線 連 星 系 ) Diffuse 放 射 赤 : 1 3 kev 緑 : 3 5 kev 青 : 5 8 kev

点 源 想 像 図 : X 線 連 星 系 恒 星 X-ray コンパクトオブジェクト 白 色 矮 星 中 性 子 星 BH

質 量 降 着 白 色 矮 星 η~0.0004 中 性 子 星 η~0.2 L GMM R = GM Rc 2 M c 2 効 率 η = GM Rc 2 ブラックホール η~0.2 (R = 3R sh = 6GM c 2 ) ( 原 子 核 反 応 : η~1mev/1gev=0.001) 新 潟 大 学 集 中 講 義 15

(ものすごく) 大 雑 把 な 分 類 相 手 の 星 白 色 矮 星 中 性 子 星 BH 磁 場 強 磁 場 中 磁 場 弱 磁 場 強 磁 場 弱 大 質 量 (OB) HMXB (X 線 パル サー) (HerX-1) HMXB (Cyg X-1) 小 質 量 (KM) Polar (AM Her) Intermed iate Polar (DQ Her) Dwarf Nova (SS Cyg) LMXB (Sco X-1) LMXB (GRS191 5+105) Cataclysmic Variable 新 潟 大 学 集 中 講 義 16

磁 場 磁 場 弱 磁 場 強 コンパクト 星 の 磁 場 が 降 着 流 に 影 響 新 潟 大 学 集 中 講 義 17

降 着 円 盤 の 基 本 光 学 的 に 厚 く 幾 何 学 的 に 薄 い= 標 準 円 盤 質 量 M 半 径 r 定 性 的 導 出 T r Mm r 3 詳 しくは T r = 3GMm 8πσr 3 1 r in r 最 高 温 度 は 最 内 縁 1 4 新 潟 大 学 集 中 講 義 18 1 4 Shakura & Sunyaev 1973

3 倍 のシュワルツシルト 半 径 の 実 在 LMC X-3ぎんが 衛 星 ス ペクトル 降 着 円 盤 モデルフィッ トT max を 求 める T max の 場 所 は3Rsと 仮 定 して M BH を 求 める Ebisawa et al.1993 新 潟 大 学 集 中 講 義 19

BHの 場 合 r in M 意 外 ですが T r M r 3 T max M 1 2 重 たいBHほど 温 度 は 低 い X 線 連 星 系 (M~10Msun): X 線 活 動 銀 河 核 (M~10^6Msun 以 上 ): 紫 外 線 以 下 1 4 新 潟 大 学 集 中 講 義 20

銀 河 中 心 X 線 diffuse 放 射 (GCDX) すざく 衛 星 Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245 Feライン

特 に 重 要 な 特 性 X 線 例 : 天 の 川 銀 河 中 心 X 線 6.4keV 線 中 性 Fe Kα 線 6.7keV 線 He 状 イオンFe Kα 線 6.9keV 線 H 状 イオンFe Kα 線 Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245 新 潟 大 学 集 中 講 義 22

他 の 特 性 X 線 Ni Ni I Kα Fe I Kβ XXVII Kα & Fe XXV Kβ Fe XXVI Kβ & Fe XXV Kγ Fe XXVI Kγ

鉄 輝 線 の 強 度 分 布 すざく 衛 星 (3 度 X 0.5 度 ) Fe I (neutral) Fe XXV (He-like) Fe XXVI (H-like)

鉄 の 分 布 高 階 電 離 イオン 6.7 kev 6.9 kev: 似 ている 中 性 原 子 6.4 kev 高 階 電 離 鉄 より 局 所 的 6.4keV 6.7keV 6.9keV 高 階 電 離 イオンと 中 性 鉄 の 起 源 は 異 なる

鉄 輝 線 の 意 味 Diffuse X 線 放 射 は 高 温 プラズマからの 熱 的 放 射 である! 連 続 成 分 温 度 は 5~10keV 銀 河 中 心 領 域 全 体 に 高 温 プラズマがある? 新 潟 大 学 集 中 講 義 26

ガスの 閉 じ 込 め 天 の 川 銀 河 の 重 力 ポテンシャル GM gal m p /R ~ 400eV M gal ~2e11Msun, R gal ~20kpc X 線 高 温 ガスの 温 度 kt~5 10keV ガスは 閉 じ 込 められない 逃 げるはず 新 潟 大 学 集 中 講 義 27

高 温 ガスの 物 理 量 温 度 kt=5~10kev 全 光 度 Lx~2e38 erg/s Emission Integral n 2 V~1e64 cm -3 体 積 V~1e66 cm 3 銀 径 =-60deg~60deg, 銀 緯 =-0.5deg~0.5deg ガス 密 度 n p ~n e ~0.1 cm -3 全 エネルギー~1e56 erg (3kT/2)(n e +n p )V 新 潟 大 学 集 中 講 義 28

エネルギー 供 給 kt=10kevのガスの 音 速 c s ~10^8 cm/s ガスの 厚 み h~ 200pc ~6e20 cm タイムスケール t=h/c s ~ 1e13 s ~ 1e6 yr E/t ~ 1e56 erg/1e6 yr = 1e50 erg/yr 新 潟 大 学 集 中 講 義 29

高 温 ガスの 起 源 超 新 星 爆 発 か? 問 題 点 E/t~10^50 erg/y 10 年 に1 発 標 準 的 な 割 合 : 100 年 に1 発 kt~10kevもの 高 温 ガスを 持 つSNRは ほとんどない 新 潟 大 学 集 中 講 義 30

銀 河 中 心 diffuse X 線 以 下 の 領 域 に 分 けて 調 査 リッジ 領 域 (l~10deg, b~0deg) バルジ 領 域 (l~0deg, b~1deg) 中 心 領 域 (l~0deg, b~0deg)

銀 河 中 心 領 域 高 温 ガス 説 荷 電 交 換 説 (Tanaka Y. 2002, A&A 382, 1052) 宇 宙 線 と 星 間 物 質 の 相 互 作 用 星 間 物 質 がたくさんある 中 性 鉄 の 一 部 も 説 明 できる 鉄 輝 線 の 微 細 構 造 に 注 目 して 見 分 ける! Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245 新 潟 大 学 集 中 講 義 32

宇 宙 線 荷 電 交 換 反 応 星 間 物 質 から 電 子 を 奪 い 取 る Fe +26 Fe +25 Fe +24 He 状 Fe 輝 線 (6.7 kev) 星 間 物 質 (おもにH) 水 素 状 Fe 輝 線 (6.9 kev)

1s1s 基 底 状 態 1 S 0 He 状 イオンの 電 子 配 置 1s2s 1 S 0, 3 S 1 1s2p 1 P 1 3 P 0, 3 P 1, 3 P 2 2S+1 L J S: スピン L: 軌 道 角 運 動 量 J: 全 角 運 動 量

He 状 イオン 微 細 構 造 Energy

電 子 の 遷 移 ( 電 気 双 極 子 放 射 ) ジャンプする 電 子 は1 個 スピン: 変 化 しない 軌 道 角 運 動 量 ジャンプする 電 子 Δl=+1, -1 原 子 全 体 ΔL=+1, 0, -1 全 角 運 動 量 : ΔJ=+1, 0, -1 (J=0 0は 不 可 ) 新 潟 大 学 集 中 講 義 36

He 状 イオン 微 細 構 造 Energy W: 共 鳴 線 Z: 禁 制 線 X, Y: intercombination 線

He 状 イオン 微 細 構 造 6.7 kev 輝 線 微 細 構 造 Energy CCD 分 解 能 W z y x 6.7keV 輝 線 の 中 心 エネルギーは 微 細 構 造 による

荷 電 交 換 反 応 の 場 合 E=0 n~25 n=2 n=1 13.6eV n=1 6.7keV line Fe XXV H 電 子 は 高 準 位 に 入 る エネルギー 保 存 則 下 の 準 位 にだんだんと 落 ちる n=2の 準 位 は 統 計 的 に 埋 まっていく

統 計 的 に 埋 まる 荷 電 交 換 の 場 合 Z: 6637eV Y: 6668eV X:6682eV W: 6701eV Suzaku CCD 分 解 能 中 心 ~6666eV E X, Y, Z 輝 線 強 度 ~W 輝 線 強 度

圧 倒 的 多 数 高 温 ガスの 場 合 基 底 状 態 の 電 子 が 励 起 電 気 双 極 子 遷 移 スピン 反 転 無 し 主 に 1 P 1 へ 励 起 w W 線 が 強 い z y x CCD 分 解 能 中 心 値 ~6685eV

すざく 衛 星 観 測 結 果 6680 +/- 1 ev 1. 荷 電 交 換 6666eV z w Hi res CCD 2. 高 温 ガス w Hi res CCD 高 温 ガスを 支 持 z 6685eV

高 温 ガスの 温 度 測 定 He-like Fe K α(6.7kev) H-like Fe Kα (6.9keV) He-like Fe Kβ(7.9keV) I(6.9keV)/I(6.7keV): イオン 化 温 度 I(7.9keV)/I(6.7keV): 電 子 温 度

温 度 分 布 イオン 化 温 度 kt = 5~7 kev イオン 化 温 度 ~ 電 子 温 度 ~5 7keV L=-0.4deg~0.2degでほぼ 一 定

本 当 に 全 体 に 広 がる 高 温 ガスか? エネルギー 収 支 や 起 源 など 説 明 難 しい 観 測 量 : 熱 制 動 放 射 L n 2 V もしも 体 積 が 小 さく 密 度 が 濃 ければ エネル ギー 収 支 の 問 題 は 解 決 点 源 の 重 ね 合 わせでは? (まさに 天 の 川 ) 新 潟 大 学 集 中 講 義 45

点 源 の 重 ね 合 わせ 説 淡 く たくさん 存 在 し 高 温 ガスをまとう 有 力 候 補 : 激 変 星 (Cataclysmic Variable) 空 間 密 度 3e-5 pc -3 降 着 流 恒 星 降 着 流 kt=1 25keV 磁 場 の 強 い 白 色 矮 星 白 色 矮 星 表 面

X-ray spectrum of CV 典 型 的 なCV spectrum EW CV GC hot gas 6.4keV ~150eV ~300eV 6.7keV ~200eV ~400eV 6.9keV ~100eV ~150eV Ezuka & Ishida 1999 銀 河 中 心 Fe 輝 線 をCVだけで 説 明 するのは 困 難

銀 河 中 心 高 温 ガスの 起 源 超 新 星 爆 発 の 重 ね 合 わせ? 高 い 爆 発 レートを 要 求 SNR で kt~6kevのものはほとんど ない 過 去 の 銀 河 中 心 BH(Sgr A*)の 活 動 性 によるもの? その 他 あまり 良 く 分 かっていない

バルジ 領 域 X 線 リッジ 領 域 (l~10deg, b~0deg) バルジ 領 域 (l~0deg, b~1deg) 中 心 領 域 (l~0deg, b~0deg)

Chandra Ultradeep Observation (1Msec) Revnivtsev et al. 2009, Nature, 458, 1142 Chandra at (l, b)=(0.113, -1.424 ) 473 個 の 点 源

バルジ 成 分 の 鉄 ラインは 点 源 に 分 解 された Chandra スペクトル 黒 : 全 体 青 : 点 源 赤 : 黒 - 青 Revnivtsev et al. 2009, Nature, 458, 1142 バルジ 成 分 は 銀 河 中 心 とは 異 なる

リッジ 領 域 X 線 リッジ 領 域 (l~10deg, b~0deg) バルジ 領 域 (l~0deg, b~1deg) 中 心 領 域 (l~0deg, b~0deg)

外 側 の 領 域 l >1deg, b~0degにも 鉄 輝 線 Galactic Ridge X-ray Emission (GRXE) Yamauchi et al. 2009, PASJ, 61,295

I(6.9keV)/I(6.7keV) GRXE 6.9keV/6.7keV 強 度 比 GRXEの 温 度 は 銀 河 中 心 領 域 より 低 そう GRXEと 銀 河 中 心 は 起 源 が 異 なる

銀 径 方 向 6.7keV 鉄 輝 線 の 強 度 分 布 Uchiyama et al. 2011 銀 緯 方 向 星 の 分 布 (nuclear stellar cluster + nuclear stellar disk + Galactic disk + Galactic bulge)との 比 較 銀 河 中 心 部 分 は 説 明 できない 新 潟 大 学 集 中 講 義 55

リッジ&バルジ 点 源 の 重 ね 合 わせで 説 明 できるかも しかし 点 源 の 正 体 不 明 EW_6.7keV ~ 400eVの 点 源 を 知 らない 比 較 : CV の EW_6.7keV ~ 200eV 新 潟 大 学 集 中 講 義 56

まとめ 銀 河 中 心 部 分 点 源 で 説 明 するのは 困 難 高 温 ガスか? 起 源 不 明 SNRだとしたら 銀 河 中 心 部 分 の みで1 発 /100 年 以 上 のレート リッジ&バルジ 部 分 点 源 の 重 ね 合 わせで 説 明 可 能 点 源 の 正 体 不 明 新 潟 大 学 集 中 講 義 57

6.4keV 輝 線 について 中 性 鉄 Kα 線 中 性 鉄 (= 冷 たい 鉄 )がX 線 を 出 している!

中 性 鉄 の 分 布 Suzaku 6.4keV image CS Tsuboi et al. 1999 銀 河 中 心 領 域 に 広 く 分 布 分 子 雲 分 布 と 似 る

6.4 kev 輝 線 : 非 熱 的 放 射 光 電 離 電 子 衝 突 E>7.1keVのX 線 必 要 E=10 100keVの 電 子 ( 内 殻 電 離 の 断 面 積 大 )

Sgr B2 region Suzaku 6.4keV line image Sgr B2 領 域

Sgr B2の10 年 Suzaku 6.4keV image Inui et al. 2009, PASJ, 61, S241 6.4keV 放 射 はだんだん 弱 くなる

すざく 衛 星 のみで 6.4keV 強 度 8 10keV 連 続 X 線 Nobukawa et al. 2011 新 潟 大 学 集 中 講 義 63

時 間 変 動 Decay time scale ~ 10 年 Sgr B2サイズ~10 光 年 光 速 に 近 い 何 か が 励 起 電 子 だと 内 殻 電 離 確 率 低 い 光 電 離 なら 自 然 に 説 明 可 能 X 線 反 射 星 雲 (X-ray Reflection Nebula) 新 潟 大 学 集 中 講 義 64

X-ray spectrum of Sgr B2 Suzaku X-ray spectrum Fe I Kα Fe I Kβ 強 い6.4keV 輝 線 EW~1.6keV 7.1keVにエッジ 光 電 吸 収 端 NH~1e24cm-2 Power-law continuum 大 等 価 幅 と 深 い 吸 収 端

光 電 離 Sgr B2 X-ray EW とエッジ X-ray (E>7.1keV) Sgr B2 電 子 衝 突 電 子 (E=10 100keV) 光 電 離 電 子 衝 突 内 殻 電 離 断 面 積 大 (σ~10-20 cm2) 小 (σ~10-22 cm2) 連 続 X 線 弱 (トムソン 散 乱 ) 強 ( 制 動 放 射 ) EW of 6.4keV 線 大 (~1200 ev) 小 (~300eV) 吸 収 端 深 (N H ~10 24 cm -2 ) 浅 (N H ~10 21 10 22 cm -2 )

光 電 離 を 支 持 6.4keV line EW = 1600 ev NH = 10 24 cm-2 光 電 離 電 子 衝 突 内 殻 電 離 断 面 積 大 (σ~10-20 cm2) 小 (σ~10-22 cm2) 連 続 X 線 弱 (トムソン 散 乱 ) 強 ( 制 動 放 射 ) EW of 6.4keV 線 大 (~1200 ev) 小 (~300eV) 吸 収 端 深 (N H ~10 24 cm -2 ) 浅 (N H ~10 21 10 22 cm -2 )

X 線 照 射 源 はどこにある? Sgr B2 照 射 源 必 要 光 度 L(2-10keV)=1e39(d/100pc) 2 erg/s Sgr B2 周 囲 に 候 補 無 し 最 有 力 候 補 : 銀 河 中 心 BH (Sgr A*) d=109pc Lx=1e39 erg/sが 必 要 現 在 の 光 度 Lx(2-10keV)=1e33 erg/s d SgrA*は300 年 前 100 万 倍 明 るかった

他 の6.4keV 放 射 場 所 Bright 6.4 kev clump

低 温 ガス (kt~2kev) Suzaku X-ray spectrum Other neutral lines are weak. (Ratio to Fe is < Si 0.01 0.1) S Ar => The brightest neutral clump in the GC Ca Neutral Fe Fe 高 温 ガス kt~6kev He, H-like lines ガス 起 源

スペクトル 解 析 2 温 度 ガス kt~1kev+kt~7kev NH~7.1e22 cm-2 Power-law +6.4keV line Γ~1.85 NH~1.7e23 cm-2 中 性 S, Ar, Ca, Cr, Mnの Kαライン

鉄 以 外 の 中 性 ラインの 発 見 Without neutral lines With neutral lines Nobukawa et al. 2010, PASJ, 62, 423

中 性 ラインのEW 黒 : 光 電 離 赤 : 電 子 衝 突 実 線 : 太 陽 組 成 黒 点 線 1.6solar 赤 点 線 4.0solar 光 電 離 を 支 持

低 温 プラズマ(kT~1keV)と6.4 kev line E=2-3keV image = low kt plasma bright dim bright 6.4keV image = neutral iron bright

分 子 雲 (MC)で 吸 収 E=2-3keV image = low kt plasma MC bright dim bright MC kt=1kev plasma 6.4keV image = neutral iron bright Observer 吸 収 を 測 定 すれば 分 子 雲 の 距 離 がわかる

X-ray tomography of MC Ryu et al. 2009, PASJ, 61, 751

照 射 源 がSgr A*だったら

Current Lx~10 33 erg/s Sgr A* light curve

全 ての6.4keV 輝 線 が 光 電 離 か? 多 くの6.4 kev clumpは 光 電 離 だろう 照 射 源 は Sgr A* 6.4keV 輝 線 は リッジにもみられる 少 なくとも l>10deg (Sgr A*から2kpc 以 上 ). 光 電 離 ではないかも 起 源 不 明 l=28deg

中 性 鉄 輝 線 のまとめ 中 性 鉄 輝 線 : 6.4 kev line 分 子 雲 分 布 と 似 ている 中 性 のSi, S, Ar, Ca, Mn, Crの 輝 線 も 存 在 中 性 ラインのEWは 光 電 離 を 支 持 Sgr B2の6.4keV 強 度 変 化 は 光 電 離 を 支 持 照 射 源 がSgr A*だとすると Sgr A*は300 年 前 100 万 倍 明 るかった 吸 収 を 測 って X 線 トモグラフィー