2020 Fiscal Year Research-status Report
A search for the spectral features in the X-ray energy spectra of neutron stars to investigate the equation of state of nuclear matter
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19K03904
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
堂谷 忠靖 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (30211410)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | X線連星 / X線バースト / X線パルサー / 中性子星 / 状態方程式 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主目的は、X線観測から中性子星の質量半径に制限を加えること、すなわち状態方程式に制限を加えることである。研究実施計画に従い、X線バーストと呼ばれる中性子星表面での熱核反応の暴走現象のデータの中に吸収線や吸収端が検出できないか、「すざく」衛星のアーカイブデータの解析を進めた。今年度は、EXO 0748-676と呼ばれる中性子星連星系のデータの解析を進めた。この天体は、過去にXMM-Newton衛星の観測で吸収線の検出が報告されたものの、その後中性子星のスピンが552Hzと早いことが判明したため、吸収線の検出は疑問視されている。ただ、吸収線ではなく吸収端であれば早いスピンでも検出可能なため、今回解析対象に選んだ。「すざく」衛星のアーカイブデータには、３つのX線バーストが検出されており、現在解析を進めているところである。
上記と並行して、X線バーストの吸収線・吸収端以外に中性子星の質量半径に制限を加える方法の探求を行なった。昨年度までの検討から、X線パルサーの鉄輝線エネルギーの中性子星スピンに同期した変動から、中性子星の慣性モーメントに制限を加える方法が有望なことがわかっている。この方法では鉄輝線の中心エネルギーの相対変動を非常に高い精度で決める必要があるため、連続放射の正しいmodelingが本質的に重要である。しかしながら、X線連星パルサーの連続放射については確立したモデルが今だに存在しない。そこで、最も良く解析されているX線パルサーのひとつ、Her X-1について、「すざく」のアーカイブデータを利用して、新規モデルの開発と検証を行った。この成果を査読論文として出版した。
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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
本研究課題については、４年計画の２年目が終わったところで、ほぼ想定通りの進捗である。
研究実施計画に従い、X線衛星のアーカイブデータを使ってX線バーストの系統的な解析を進めている。すなわち、X線バーストのエネルギースペクトル中に吸収線や吸収端などのスペクトル構造を探すという解析である。これまでに「すざく」衛星のアーカイブデータから６天体の解析を進めているが、今のところスペクトル構造は見つかっていない。もともとX線バースト中のスペクトル構造は容易に見つかるものではないため、想定内の結果である。今後、他のX線衛星のアーカイブデータにも探索範囲を広げる予定である。
一方、中性子星の質量・半径に制限を加える別の方法として、X線パルサーを使った解析も進めた。この方法では、鉄輝線エネルギーのスピン周期に同期した変動を利用する。鉄輝線のドップラー偏移が計測できれば、質量降着により中性子星に持ち込まれる角運動量を推定することが可能になり、スピン周期の変化率と組み合わせることで中性子星の慣性モーメントの推定が可能になる。この手法を適用するには、鉄輝線の相対エネルギーを精度よく計測する必要があり、そのためには連続放射を正しくモデル化することが重要である。そこで、X線パルサーの放射領域（磁極近傍）の構造の検討から、新たな連続放射モデルを考案し、代表的なX線パルサーHer X-1の「すざく」アーカイブデータからそのモデル化が適切なことを検証した。この結果については、査読論文として出版した。
以上の研究成果から、概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度（４年計画の３年目）も、当初の研究計画に従い、X線衛星のアーカイブデータを使って、X線バーストのエネルギースペクトル中の吸収構造について、引き続き探索を行う。
「すざく」衛星のアーカイブデータについては、既知のX線バースト天体の解析は年度の前半で終えられる見込みなので、その後は他のX線衛星やX線望遠鏡のデータについて解析を進めていく。具体的には、NuSTAR衛星と国際宇宙ステーション設置のNICERである。NuSTAR搭載の望遠鏡は、10 keV付近で最も有効面積が大きいので、~7-12 keV付近にあると期待される吸収端構造に狙いをつけて探索する。一方、NICERの望遠鏡は、2 keV弱で最大の有効面積をもち、10 keV以上にはほとんど感度がない。そこで、数keV付近に存在すると期待される吸収線に狙いをつけて、スピンか遅いか小さなinclinationを持つ天体を選んで解析する。
並行して、X線パルサーを用いた、中性子星の慣性モーメントの計測も進める。そのためには、鉄輝線のドップラー偏移を正確に計測する必要があるので、最も鉄輝線が強いX線パルサーの一つであるGX301-2の「すざく」アーカイブデータの解析を行う。パルス位相毎のエネルギースペクトルを作成し、ドップラー偏移が有意に計測できるようであれば、今後有望な手法になるので、その解析手法を確立する。
X線バーストが期待できるX線新星の出現についても常時注視し、適当な天体が出現した場合はTOO（Target Of Opportunity）観測の提案を適当なX線衛星に対して行う。そのような天体は、各衛星が自主的にTOO観測することが多く、その場合はデータが即時公開されるので、そのデータの解析を進める。
以上のような解析を進めつつ、得られた結果に応じて、学会発表や査読論文の出版を進める。
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| Causes of Carryover |
今年度は、新型コロナの影響で、天文学会や物理学会がすべてリモート開催となり、またCOSPARを始めとする国際会議も原則リモート参加となった。そのため、これらの学会・研究会への参加のために確保していた旅費を使用する予定がなくなってしまった。そこで、この分の予算を論文出版費用などにまわしたものの、同様の理由による昨年度からの繰越分とほぼ同様の額を繰り越すことになった。
次年度については、新型コロナの影響がいつまで続くか不透明であるが、執行しなくて済む旅費および繰越分については、論文出版を前倒しで行う、あるいはオープンアクセスを選択するなどの目的に活用する予定である。
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