2015 Fiscal Year Annual Research Report
精密Ｘ線分光による標準質量限界（１．４太陽質量）の検証
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15J10520
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
林 多佳由 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(SPD)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 白色矮星 / 激変星 / 強磁場 / 降着柱 / 反射X線 / X線スペクトル / X線望遠鏡 / X線天文学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、X線分光観測から白色矮星の質量と半径を求めることにより、標準モデルによる白色矮星の質量限界(1.4太陽質量)を検証することである。また、これを達成する上で有益な観測機器、特にX線望遠鏡の開発も行う。
今年度は、白色矮星の反射X線から白色矮星の質量と半径を測定する上で有益な情報を引き出すため、反射X線スペクトルのモデル化を行った。反射X線とは、白色矮星近傍の熱的プラズマから放射されたX線が、白色矮星表面の物質によって散乱や吸収、再放射され、再び外部へ放出されたX線である。反射X線の強度はプラズマ流から見た白色矮星表面の立体角と正の相関を示し、ここから、プラズマ流と白色矮星の幾何学的な情報を得ることができる。
反射X線スペクトルのモデル化にはMonte-Carlo simulationを用いた。Simulation内では、既に私自身が構築した、熱的X線スペクトルモデルを元に、熱的プラズマの場所毎に、対応したX線スペクトルでX線を等方的に放射させる。球形の白色矮星に届いたX線は、白色矮星表面で原子との相互作用を経験し、その一部は再び外部へと放射される。これらを計数することで反射X線のスペクトルを得る。
今年度までに、白色矮星半径はパラメータに含めない(白色矮星半径は標準理論に従う)、熱的X線と反射X線を合わせたスペクトルモデルを完成させた。この新しいスペクトルモデルをすざく衛星の観測データに適用し、白色矮星質量の見積もりの精度が向上することを確認している。
観測機器開発では、本研究の強力な武器になると期待された、ASTRO-H衛星を2/17に打ち上げ、無事に軌道投入した。しかし、3/26から不具合を起こし、翌年度の4/28に運用が断念された。
一方で、さらに将来の衛星計画に向けた、大口径X線望遠鏡の開発を開始している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
白色矮星からの反射X線のモデル化は当初の研究計画では予定していなかったが、これによって、白色矮星の質量半径測定において極めて重要な情報が得られることに気づいたため、モデル化を実施した。反射成分の強度は、熱的プラズマに対する白色矮星表面の立体角と相関し、つまりここから、プラズマの高さと白色矮星半径の比が見積もれる。一方で、熱的X線スペクトルから見積もれる、プラズマ温度からは、白色矮星の重力ポテンシャルが推定できる。得られたポテンシャルを使用すると、流体計算からプラズマの高さの絶対値を算出することができ、これらを組み合わせることによって、白色矮星半径の絶対値を測定することが可能になる。これらによる白色矮星の質量半径測定の精度向上は、当初の計画を超えた成果である。
当初の研究計画では、熱的X線のスペクトルから得られる情報のみから白色矮星の重力ポテンシャルとプラズマ内の重力解放の効果を見積もり、白色矮星の質量と半径を測定するとしていた。この手法では反射X線は熱的成分の評価を困難にする、系統誤差要因であった。また、重力解放の効果も小さく、白色矮星の質量半径測定には、精度の高い観測データを必要とした。一方で、今回の反射X線のモデル化によって、既存の衛星のデータでも本研究の目的を達成し得ると考えられる。
観測精度向上の観点では、当初の研究計画ではASTRO-Hのデータを使用することを念頭に置いていたが、不具合、運用断念によってASTRO-Hのデータを使用することは不可能となった。しかし、先に述べた通り、幸いにも反射X線のモデル化によって、本研究の目的を達成することは引き続き可能であると考えられる。これらの理由から、全体としては「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までに、熱的X線と反射X線を含めた白色矮星のX線スペクトルモデルが、白色矮星半径をパラメータに含まない形で完成している。しかし、本研究目的の、白色矮星の質量半径測定には、半径もパラメータに含めたスペクトルモデルが必要であるので、これを開発する。当初の研究計画では予定していなかった、反射X線のモデル化に伴い、想定以上の計算時間が必要となっている。入射X線のエネルギーなどのいくつかの量をパラメータとした反射X線自体のデータベースの作成やスーパーコンピューターを使用することにより、計算時間を短縮する。
上記のスペクトルモデルを既存の衛星データに適用し、白色矮星の質量と半径を測定する。その中で、反射X線を取り込んだスペクトルモデルと既存の衛星データで達成可能な測定精度を見極める。十分な精度が達成できない場合は、米国のCHANDRA衛星や欧州のXMM-Newton衛星のgratingによる高エネルギー分解能を利用した長時間観測を提案し、本研究の要求に耐えるデータを取得する。
観測機器開発では、次期X線天文衛星計画の立ち上げ、開発を行う。ASTRO-Hに変わる次期X線天文衛星は、本研究のみならず、天文学全体にとって急務である。この計画は日本を中心とするか否かは定かではないが、どこの国や地域の計画であるかに関わらず、これに積極的に関わり、貢献する。特に、ASTRO-Hにも搭載され、不具合が起きるまでは順調に動作していた、エネルギー分解能7 eVを誇るX線マイクロカロリーメータは、直ぐにでも再打ち上げするべき観測機器である。私は、X線カロリーメータの性能を十分に引き出すうえで必要となる、大有効面積のX線望遠鏡を開発することで、この衛星計画に貢献したい。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Upgrade of the 30-m x-ray pencil beam line at the Institute of Space and Astronautical Science2015
Author(s)
Hayashi, Takayuki; Sato, Toshiki; Kikuchi, Naomichi; Kurashima, Sho; Nakaniwa, Nozomi; Sato, Takuro; Iizuka, Ryo; Maeda, Yoshitomo; Ishida, Manabu
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Journal Title
Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems
Volume: 1
Pages: 044004-1,7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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