宇宙X線観測と地上プラズマ実験で切り拓く超新星残骸の精密分光

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J14908
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 天野 雄輝 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Keywords: 超新星残骸 / X線天文学 / プラズマ実験

Outline of Annual Research Achievements

超新星残骸（SNR）のX線観測から、親星が合成した元素の組成比などの情報が得られ、超新星の爆発機構といった重要問題に迫ることができる。こうした問題に迫る上で重要なのは、X線スペクトル解析の基礎となる、原子物理への理解である。本DCでは、回折格子によるSNRのX線精密分光観測と多価イオン生成装置 Electron Beam Ion Trap (EBIT)を用いた地上プラズマ実験を組み合わせ、SNRのX線解析に使用する輝線放射モデルの構築を行う。
プラズマ分光実験に関しては昨年度の2月にドイツのマックスプランク核物理学研究所での装置開発を完了し、5月に日本への搬入と立ち上げ作業を完了した。7月には放射光施設のSpring-8に装置を持ち込み、実験を行った。試験中に装置の故障に見舞われたため、想定していた実験結果は得られなかったものの、実験に関するノウハウの習得や手法の確立を行うことができた。
X線回折格子のデータ解析は令和3年度から4年度にかけてデータの解析を行った。超新星残骸から電荷交換反応や共鳴散乱の効果を検出するとともに、これらのプロセスが起きやすい条件をまとめた。また、共鳴散乱の効果から、超新星残骸の3次元構造を制限する方法を提案した。以上の天体解析の結果を博士論文としてまとめ、発表した。2023年の5月末に学位の認定がされる予定である。投稿論文としては、2023年度に発表する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本DCで予定していた、プラズマ実験の全工程は、ドイツのマックスプランク核物理学研究所での装置の開発、日本のJAXAへの装置の輸送と立ち上げ、EBIT単体での実験による装置の性能評価と二電子性再結合の反応係数の測定、放射光施設での鉄イオンの遷移確率測定である。当初はこの内のEBIT単体での実験までを令和3年度に行う予定であったが、コロナウイルスやウクライナの情勢の影響で装置の開発の達成にとどまった。令和4年度の5月にEBITは日本に輸送され、立ち上げ作業が完了した。実験の日程が後ろにずれ込んだ影響により、単体での実験成果は論文として公開するところまでは行かなかったが、性能評価は行っており、装置が想定通りの性能を出すことを確認し、日本天文学会で口頭発表を行った。7月には放射光施設のSpring-8に装置を持ち込み、実験を行った。試験中に装置の故障に見舞われたため、想定していた実験結果は得られなかったものの、実験に関するノウハウの習得や手法の確立を行うことができた。
X線回折格子のデータ解析では、超新星残骸から電荷交換反応や共鳴散乱の効果を検出するとともに、これらのプロセスが起きやすい条件をまとめた。また、共鳴散乱の効果から、超新星残骸の3次元構造を制限する方法を提案した。以上の天体解析の結果を博士論文としてまとめ、発表した。2023年の5月末に学位の認定がされる予定である。投稿論文としては、2023年度に発表する予定である。

Strategy for Future Research Activity

2023年度はXRISM衛星の打ち上げ年度である。これまでの回折格子の結果をXRISMのデータ解析に活かしつつ、プラズマ実験とXRISMの観測の両輪で研究を行う予定である。
回折格子による研究により、超新星残骸において電荷交換反応や共鳴散乱が起きやすい条件が概ね特定できたので、XRISMでCygnus Loop などの視直径の大きな超新星残骸の場所ごとの精密分光スペクトルを比較することで、我々の提示した描像の検証を行う。また、超新星残骸の3次元構造に関しても場所ごとの視線方向の長さを測定することで、超新星残骸の詳細な構造を知ることができる。W49Bなどの超新星残骸に適用することで、これまで観測的な証拠の少なかった、ジェット状の超新星爆発の観測的な証拠が荒れるかもしれない。
プラズマ実験に関しては引き続き、鉄イオンのL殻遷移輝線の遷移確率の測定を予定している。本年度の10月のビームタイムの獲得のための準備を行なっている。これが正確に測定できれば、鉄組成比の組閣な測定のみならず、共鳴散乱の効果を従来以上に正確に測定することができる。XRISMのデータではK殻輝線のデータも重要である。この測定はEBITとカロリメーターの組み合わせが必要であり、実験難度が高い。こうした実験を行うための準備も進めている。