分子雲の電離度パラドックスの解明に基づく星形成史と宇宙線エネルギー収支の研究

• Project/Area Number: 20J01086
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 霜田 治朗 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 銀河進化 / 宇宙線 / プラズマ / 天の川銀河 / 超新星残骸 / 無衝突衝撃波 / X線分光 / 高エネルギー宇宙物理学 / 銀河考古学 / ガンマ線バースト

Outline of Research at the Start

分子雲形成時の「宇宙線の掃き集め」に世界で初めて注目し，分子雲形成シナリオに則した「宇宙線を含む現実的な星間媒質中を伝播するSNR衝撃波」の準解析的モデルを構築し，宇宙線量の推定に最適な観測量を与え，分子雲の電離度パラドックスを解明する．近年の星間媒質研究の進展により，磁場を含む原子ガスから分子雲を形成するには，衝撃波による多数回の圧縮が必要だと分かっている．星間空間において分子雲は濃いH原子シェルの表面の一部分で形成される（Inutsuka+15）．このH原子シェルは，SNR衝撃波の最終進化段階であり，分子雲形成時までに宇宙線を加速し，また星間媒質の宇宙線を掃き集めてきた経歴を持つ．

Outline of Annual Research Achievements

天の川銀河では宇宙の始まりから現在までの138億年の間に，　~1 太陽質量/年で定常的な星形成が続いてきたことが，　観測から推定されている．　一方で，　星の材料であるガスは，　星形成現場である銀河円盤には~10^9 太陽質量程度しかなく，　単純には星形成を約10億年しか続けることが出来ない．　なぜ銀河は宇宙年齢の間，　定常的に星形成を続けられたのか？材料となるガスはどこから来たのか？が分かっていないため，　天の川銀河の進化を説明することが出来ていない．　当該年度では，　前年度に引き続き，　この「星形成率の持続の困難」を説明しうる銀河進化モデルを提唱し，　特に他分野の理論・観測の両方から頂いた様々なコメントをモデルに反映させた．　大きな改善点としては，　宇宙論的なバリオン降着率に関する取り扱いと，　形成された恒星が時間進化する銀河円盤の重力ポテンシャルに従って運動する効果を取り扱った２点が挙げられる．　また，　並行して銀河進化モデルを構築する上で最も重要な「X線帯域で輝く希薄ガス（温度が天の川銀河の重力ポテンシャルで決まるビリアル温度と同程度以上になる）」の存在を将来の観測で検出するため，　日本の新X線衛星計画に参加し，　この研究を含めた衛星の学術的価値と対応した工学デザインについて議論を重ねている．　X線観測は，　現在並行して着手している超新星残骸衝撃波での宇宙線加速効率の制限に関する理論研究や，　加速された宇宙線が星間媒質のガスの一部を加熱するなどの影響を調べる上でも重要な役割を果たす．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Synchrotron Polarization of Gamma-Ray Burst Afterglow Shocks with Hydrodynamic-scale Turbulent Magnetic Field (2023)
  • Author(s): Kuwata Asuka、Toma Kenji、Kimura Shigeo S.、Tomita Sara、Shimoda Jiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 943 Issue: 2 Pages: 118-118
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acac88
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diagnosing Turbulent Magnetic Field in Supernova Remnants (2022)
  • Author(s): Shimoda Jiro
  • Journal Title: Frontiers in Astronomy and Space Sciences Volume: 9 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.882467
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] X-ray line diagnostics of ion temperature at cosmic ray accelerating collisionless shocks (2022)
  • Author(s): Shimoda Jiro、Ohira Yutaka、Bamba Aya、Terada Yukikatsu、Yamazaki Ryo、Inoue Tsuyoshi、Tanaka Shuta J
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1022-1040
  • DOI: 10.1093/pasj/psac053
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simultaneous radio and optical polarimetry of GRB 191221B afterglow (2022)
  • Author(s): Urata Yuji、Toma Kenji、Covino Stefano、Wiersema Klaas、Huang Kuiyun、Shimoda Jiro、Kuwata Asuka、Nagao Sota、Asada Keiichi、Nagai Hiroshi、Takahashi Satoko、Chung Chao-En、Petitpas Glen、Yamaoka Kazutaka、Izzo Luca、Fynbo Johan、de Ugarte Postigo Antonio、Arabsalmani Maryam、Tashiro Makoto
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 7 Issue: 1 Pages: 80-87
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01832-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Effects of Cosmic-Ray Diffusion and Radiative Cooling on the Galactic Wind of the Milky Way (2022)
  • Author(s): Shimoda Jiro、Inutsuka Shu-ichiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 926 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Powerful Diagnostics of Cosmic-Ray Modified Shock by Hα Polarimetry (2022)
  • Author(s): Shimoda Jiro, J. Martin Laming
  • Journal Title: 37th International Cosmic Ray Conference. 12-23 July 2021. Berlin, Germany - Online Volume: 140
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multi-wave band Synchrotron Polarization of Gamma-Ray Burst Afterglows (2021)
  • Author(s): Shimoda Jiro、Toma Kenji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 913 Issue: 1 Pages: 58-58
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf2c2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ALMA CO Observations of Gamma-Ray Supernova Remnant N132D in the Large Magellanic Cloud: Possible Evidence for Shocked Molecular Clouds Illuminated by Cosmic-Ray Protons (2020)
  • Author(s): Sano H.、Plucinsky P. P.、Bamba A.、Sharda P.、Filipovi? M. D.、Law C. J.、Alsaberi R. Z. E.、Yamane Y.、Tokuda K.、Acero F.、Sasaki M.、Vink J.、Inoue T.、Inutsuka S.、Shimoda J.、Tsuge K.、Fujii K.、Voisin F.、Maxted N.、Rowell G.、Onishi T.、Kawamura A.、Mizuno N.、Yamamoto H.、Tachihara K.、Fukui Y.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 902 Issue: 1 Pages: 53-53
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abb469
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] X-ray Line Diagnostics of the Cosmic-Ray Accelerating Shock by XRISM and Athena (2022)
  • Author(s): Jiro Shimoda
  • Organizer: European Astronomical Society Annual Meeting 2022, June 2022, Valencia, Spain
• [Presentation] On Production of Cosmic Rays in Collisionless Shocks: X-ray Line Diagnostics in XRISM Era (2022)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: SNR Workshop2022
  • Invited
• [Presentation] 天の川銀河の星形成率と宇宙線の関係について：銀河風による銀河ハローへの質量供給 (2022)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」大研究会
• [Presentation] 銀河円盤から銀河ハローへのガス供給 (2022)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」A01星形成班の研究会
  • Invited
• [Presentation] 超新星爆発・磁場・宇宙線が駆動する銀河風と天の川星形成史の解明に向けて (2021)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 第34回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 超新星残骸における衝撃波イオン加熱モデル：XRISM時代にむけて (2021)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会2021
• [Presentation] 星形成史の解明に向けた磁場・宇宙線が駆動する銀河風についての理論研究２ (2021)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 日本天文学会2021年秋季年会
• [Presentation] Hα Polarimetry as a Powerful Diagnostics of Cosmic-Ray Modified Shock (2021)
  • Author(s): Jiro Shimoda
  • Organizer: the 37th International Cosmic Ray Conference (ICRC2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hα Polarimetry as a Powerful Diagnostics Cosmic-Ray Modified Shock (2021)
  • Author(s): Shimoda Jiro
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hα Polarimetry in Supernova Remnants as a Unique Diagnostics of Cosmic Ray Modified Shock (2021)
  • Author(s): Shimoda Jiro
  • Organizer: IAU Symposium 360 Astronomical Polarimetry 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河進化の解明に向けた磁場・宇宙線が駆動する銀河風についての理論研究 (2021)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会2020
• [Presentation] 星形成史の解明に向けた磁場・宇宙線が駆動する銀河風についての理論研究 (2021)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 広帯域GRB残光での偏光の理論予測:磁場構造の観測的制限について (2020)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会
• [Presentation] 偏光 Hα 観測による宇宙線変調衝撃波の探査について (2020)
  • Author(s): 霜田治朗
  • Organizer: SNR Workshop 2020