2015 Fiscal Year Research-status Report
X線観測による標準モデルの質量限界(1.4太陽質量)を超える白色矮星の探査
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26800113
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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(系)研究科(研究院), 研究員 (20637748)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 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 |
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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、これによって標準モデルによる白色矮星の質量限界が真に1.4太陽質量であるか否かを検証することである。
この目的を達成するため、今年度は白色矮星からの反射X線スペクトルのモデル化に注力した。反射X線とは、白色矮星近傍に形成されるプラズマ流から放射された熱的X線が、白色矮星内部の物質によって散乱や吸収、再放射され、再び白色矮星の外部へ放出された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。しかしながら、白色矮星からの反射X線スペクトルのモデル化は、これまでにほとんどなされておらず、反射X線の情報をフルに活かしきれていなかった。
反射X線スペクトルのモデル化にはMonte-Carlo simulationを用いた。今回のsimulation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、プラズマ流の場所毎に、対応したX線スペクトルに従いX線を等方的に放射させる。球形を仮定した白色矮星に届いたX線は、白色矮星内部で原子による相互作用(弾性または非弾性散乱と光電吸収、鉄とニッケルのKα､β線の再放射)を経験し、その一部は再び白色矮星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。実際に、私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た。これらの結果は、2件の国際会議の招待講演で報告している。
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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
今年度注力した、反射X線のモデル化は本研究開始当初は予定していなかったが、これによって極めて重要な情報が得られることが解ったため、モデル化を実施した。反射成分の強度は、プラズマに対する白色矮星の立体角と正に相関し、ここからプラズマ流の高さと白色矮星半径の比が見積もれる。一方で、熱的成分から得られる重力ポテンシャルを使用すると、流体計算からプラズマ流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。また、熱的成分と反射成分のスペクトルは足された状態で観測されるため、一方のモデル化が不十分な場合、もう一方の評価にも悪影響を与える。つまり、今回の反射成分のモデル化は、熱的成分の評価の精度をも向上させる。これらによる白色矮星の質量と半径の測定精度向上は、当初の計画を超えた成果である。
研究開始当初は、熱的成分のスペクトルのみから白色矮星表面近傍の重力ポテンシャルと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。しかし、プラズマ流内の重量解放の影響が小さく、使用する観測データに高い精度を要求した。一方で、今回の反射X線のモデル化によって、例えば、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。
本研究の強力な武器になると期待された、ASTRO-H衛星は2/17に打ち上げられ、無事に軌道投入された。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。当初の計画では主にASTRO-Hのデータを使用することを念頭に置いていたため、打ち上げ直後の運用断念は、本研究を遂行する上で障害になると懸念される。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ため、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 |
今年度までに反射X線を含めた白色矮星のX線スペクトルのモデル化は、白色矮星半径をパラメータに含まないX線スペクトルモデルとして完成している。しかし、本研究の目的である白色矮星の質量と半径を測定するには、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。反射X線のモデル化に伴い、スペクトルモデルの開発には当初想定していたよりも倍以上長い計算時間を要する。光源と白色矮星表面の距離、入射X線のエネルギーなど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によって、計算量を軽減する工夫をしている。また、スーパーコンピューターを使用することも念頭に入れている。
白色矮星半径もパラメータに含めたスペクトルモデルが完成し次第、既存の衛星データに適用し、白色矮星質量と半径を測定する。その中で、反射X線を取り入れたスペクトルモデルと既存の衛星データで達成できる、測定精度を見極める。もし、十分な精度を達成できないと判断された場合は、米国のCHANDRA衛星や欧州のXMM-Newton衛星などの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。
白色矮星のX線スペクトルモデルの基礎となるプラズマ流の構造は、準1次元流を仮定し、白色矮星表面で速度が0や衝撃波は十分強いとの接続条件を置いた、シンプルな流体モデル計算に基づいている。しかし、これらが現実を十分表しているかは確かめられていない。そのため、私は、様々な輝線の強度とドップラー偏移から得られるプラズマ流の速度場を、流体モデルの結果と比較することで、現在の流体モデルの妥当性を検証する方法を考案した。これによって、現在の流体モデルが不十分であるとなれば、修正を施し、白色矮星質量半径測定の精度を向上させる。
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Research Products
(4 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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