Measurement of Total Energy in Accelerated Particles and Solution to Injection Problem in Supernova Remnants

• Project/Area Number: 19H01936
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Konan University (2021-2023); Kyoto University (2019-2020)
• Principal Investigator: 田中 孝明 甲南大学, 理工学部, 准教授 (20600406)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2019: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 宇宙線 / 超新星残骸 / 粒子加速 / X線天文学 / ガンマ線天文学 / 宇宙線加速 / X線天文 / X線

Outline of Research at the Start

地球には宇宙から絶えず宇宙線と呼ばれる高エネルギー粒子が降り注いでいる。その起源、つまり、どのような天体で粒子がエネルギーを得るのか (加速されるのか) は、天文学・物理学の大きな問題となっていた。近年の宇宙観測や理論的研究の進展により、超新星残骸において宇宙線が加速されていることが明らかになりつつある。しかしながら、一つの超新星残骸がどれだけの量の宇宙線を生成できるのかという問題や、どんな条件を満たした粒子が加速されるのかという問題は、依然として未解決のままである。本研究では、X線帯域での超新星残骸の観測を行い、これらの問題の解決を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

超新星残骸では爆発噴出物が星間空間の音速を超える速度で広がるため衝撃波が形成される。そこでは、衝撃波加速機構により粒子が加速され、宇宙線が生成されていると理論的に予測されており、また、近年の観測により、実際にその証拠が得られつつある。これまで、観測から得られている情報は、比較的エネルギーの高い相対論的粒子の情報に限定されていた。本研究では、衝撃波で加速されたばかりの、より低いエネルギーを持つ準相対論的粒子に注目し、そのような粒子からの放射を探査し、個々の超新星残骸が加速している宇宙線の総量や、粒子が衝撃波加速に注入される過程を明らかにすることを目的とする。本年も前年度までに引き続き、X線天文衛星のデータを用いて、準相対論的粒子が放射する中性鉄輝線と非熱的聖堂補瀉の探査を実施した。結果として、検出には成功しなかったものの、シンクロトロン放射成分や熱的放射成分について、成果を得ることができ、それらを論文としてまとめ、出版した。また、これまでに得られている成果を、国際会議 (招待講演) や、日本天文学会にて、発表した。今後の中性鉄輝線探査に向けては打ち上げを控えたXRISM衛星による観測で得られる成果について見積もりを進め、観測計画の立案を行った。非熱的制動放射については10 keVを超える硬X線帯域の高感度観測が必須である。本研究によって既存のNuSTAR衛星では感度が不足していることが判明しており、今年度はNuSTAR衛星を超える感度を実現するためのセンサ開発に向けた準備を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究でこれまでに進めたX線観測データの解析については、副次的な成果も含めて、その成果を論文としてまとめており、本年度も計5本の査読付き論文を国際誌に出版することができた。現在も複数の論文の執筆を進めており、今後も継続して、成果を創出し続けられる見込みである。また、これらの成果が国際的にも認められて、The 7th Heidelberg International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomyにて、招待講演を行った。この会議は宇宙線加速に関連した成果を発表する会議としては、比較的メジャーな会議であり、本研究で得られている成果を広く周知することができた。中性鉄輝線の観測で用いる予定のXRISM衛星の打ち上げが当初の見込みより遅れているが、観測計画やデータ解析計画を進めており、打上げ後、早期に成果を上げられる見込みである。また、NuSTARを超える感度の実現を目指した研究についても順調に進んでおり、本研究終了時までに成果を創出する見込みが得られている。

Strategy for Future Research Activity

最終年度となる次年度は、これまでのX線データの解析結果とフェルミ衛星やH.E.S.S.望遠鏡によるガンマ線データの結果を合わせて、被加速粒子のスペクトルを広帯域で制限し、それを研究協力者である理論研究者と議論し、加速された粒子の総エネルギーや、衝撃波加速機構への注入プロセスの制限を進める。XRISM衛星打上げ後は観測データの解析を迅速に進めて、可能であれば、本研究期間内に成果を創出する。硬X線観測を目指したセンサについても、引き続き、研究開発を進めて、期間内に学会発表や論文としてまとめ、成果を発表する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ohio State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Center for Astrophysics/California Institute of Technology/NASA's Goddard Space Flight Center(米国)
• [Int'l Joint Research] NASA's Goddard Space Flight Center(米国)
• [Int'l Joint Research] SRON(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-Institut fuer Kernphysik(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] NASA's Goddard Space Flight Center(米国)
• [Journal Article] High-resolution X-ray study of supernova remnant J0453.6?6829 with unusually high forbidden-to-resonance ratio (2022)
  • Author(s): Koshiba Yosuke、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Sano Hidetoshi、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 4 Pages: 757-766
  • DOI: 10.1093/pasj/psac033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge Exchange X-Ray Emission Detected in Multiple Shells of Supernova Remnant G296.1-0.5 (2022)
  • Author(s): Tanaka Yukiko、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Koshiba Yosuke、Go Tsuru Takeshi、Sano Hidetoshi、Fukui Yasuo
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 933 Issue: 1 Pages: 101-101
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac738f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission (2022)
  • Author(s): Kayama Kazuho、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Sudoh Takahiro、Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry、Tsuji Naomi、Yamamoto Hiroaki
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1143-1156
  • DOI: 10.1093/pasj/psac060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle Acceleration Controlled by Ambient Density in the Southwestern Rim of RCW 86 (2022)
  • Author(s): Suzuki Hiromasa、Katsuda Satoru、Tanaka Takaaki、Sasaki Nobuaki、Inoue Tsuyoshi、Fraschetti Federico
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 1 Pages: 59-59
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8df7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of Year-scale Time Variability from Thermal X-Ray Emission in Tycho’s Supernova Remnant (2022)
  • Author(s): Matsuda Masamune、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Yamaguchi Hiroya、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 940 Issue: 2 Pages: 105-105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac94cf
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of a Highly Neutronized Ejecta Clump in the Type Ia Supernova Remnant 3C 397 (2021)
  • Author(s): Ohshiro Yuken、Yamaguchi Hiroya、Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi、Sato Toshiki、Tanaka Takaaki、Okon Hiromichi、Fisher Robert、Petre Robert、Williams Brian J.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 913 Issue: 2 Pages: L34-L34
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abff5b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of the Physical Origin of Overionized Recombining Plasma in the Supernova Remnant IC 443 with XMM-Newton (2021)
  • Author(s): Okon Hiromichi、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Seta Masumichi、Kokusho Takuma、Smith Randall K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 921 Issue: 2 Pages: 99-99
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1e2c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid Deceleration of Blast Waves Witnessed in Tycho’s Supernova Remnant (2021)
  • Author(s): Tanaka Takaaki、Okuno Tomoyuki、Uchida Hiroyuki、Yamaguchi Hiroya、Lee Shiu-Hang、Maeda Keiichi、Williams Brian J.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 906 Issue: 1 Pages: L3-L3
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abd6cf
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evidence for Resonance Scattering in the X-Ray Grating Spectrum of the Supernova Remnant N49 (2020)
  • Author(s): Amano Yuki、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Gu Liyi、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 897 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab90fc
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing cosmic rays with Fe Ka line structures generated by multiple ionization process (2020)
  • Author(s): H. Okon, M. Imai, T. Tanaka, H. Uchida, T. G. Tsuru
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 72 Issue: 4 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shock-Cloud Interaction in the Southwestern Rim of RX J1713.7-3946 (2020)
  • Author(s): T. Tanaka, H. Uchida, H. Sano, T. G. Tsuru
  • Journal Title: Astrophysical Journal Letters Volume: 900 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abaef0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal and spatial variation of synchrotron X-ray stripes in Tycho’s supernova remnant (2020)
  • Author(s): Matsuda Masamune、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Amano Yuki、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 72 Issue: 5 Pages: 85-85
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa075
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deep XMM-Newton Observations Reveal the Origin of Recombining Plasma in the Supernova Remnant W44 (2020)
  • Author(s): Okon Hiromichi、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Yamaguchi Hiroya、Tsuru Takeshi Go、Seta Masumichi、Smith Randall K.、Yoshiike Satoshi、Orlando Salvatore、Bocchino Fabrizio、Miceli Marco
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 890 Issue: 1 Pages: 62-62
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab6987
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time Variability of Nonthermal X-Ray Stripes in Tycho’s Supernova Remnant with Chandra (2020)
  • Author(s): Okuno Tomoyuki、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Aharonian Felix A.、Uchiyama Yasunobu、Tsuru Takeshi Go、Matsuda Masamune
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 894 Issue: 1 Pages: 50-50
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab837e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent Results on Supernova Remnants at Highest Energies (2022)
  • Author(s): Takaaki Tanaka
  • Organizer: The 7th Heidelberg International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent X-ray Observations of Ia Supernova Remnants and Their Implications for Progenitor Systems (2022)
  • Author(s): Takaaki Tanaka
  • Organizer: Exploring the Transient Universe
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超新星残骸RX J1713.7-3946南西部の衝撃波速度の測定 (2022)
  • Author(s): 田中孝明、内田 裕之、佐野栄俊、鶴剛
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] X線による若い超新星残骸の膨張速度測定 -RX J1713とTycho- (2022)
  • Author(s): 田中孝明
  • Organizer: SNR Workshop 2022
  • Invited
• [Presentation] Recent Results on Non-Thermal Emission from Supernova Remnants and Implications for Cosmic-Ray Acceleration (2022)
  • Author(s): Takaaki Tanaka
  • Organizer: 7th Heidelberg International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent observational studies on particle acceleration in supernova remnants (2021)
  • Author(s): Takaaki Tanaka
  • Organizer: The 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ティコの超新星残骸の衝撃波速度の時間変化と爆発機構への示唆 (2019)
  • Author(s): 田中孝明、奥野智行、内田裕之、Shiu-Hang Lee、前田啓一、山口弘悦
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] Deceleration of Blast Waves of Tycho's Supernova Remnant and Its Implications for the Progenitor System (2019)
  • Author(s): Takaaki Tanaka, Tomoyuki Okuno, Hiroyuki Uchida, Shiu-Hang Lee, Keiichi Maeda, Hiroya Yamaguchi
  • Organizer: Collaborative Meeting on Supernova Remnants between Japan and USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deceleration of Blast Waves of Tycho's Supernova Remnant and Its Implications for the Progenitor System (2019)
  • Author(s): Takaaki Tanaka, Tomoyuki Okuno, Hiroyuki Uchida, Shiu-Hang Lee, Keiichi Maeda, Hiroya Yamaguchi
  • Organizer: 20 Years of Chandra Science Symposium
  • Int'l Joint Research