Elucidation of blackhole spacetime with spin through polarization observation of X rays

• Project/Area Number: 19H00696
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 郡司 修一 山形大学, 理学部, 教授 (70241685)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水野 恒史 広島大学, 宇宙科学センター, 准教授 (20403579) ; 北口 貴雄 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専門技術員 (30620679) ; 三石 郁之 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (90725863) ; 林田 清 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (30222227)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000); Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2021: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2020: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2019: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
• Keywords: IXPE衛星 / X線偏光 / パルサーウインドネビュラ / カニ星雲 / かにパルサー / ブラックホール / 4U 1957+115 / LMC X-3 / X線 / 偏光 / IXPE / Cyg X-1 / Crab Nebula / Vela Pulsar Nebula / GRB 221009A / 4U 0142+61 / X線偏光観測 / マグネター / ガンマ線バースト / 偏光X線 / かに星雲 / 超新星残骸 / 残光 / 高エネルギー天体

Outline of Research at the Start

「本当にブラックホールの周りの時空は歪んでいるのか。」という素朴な問いに答えることは、一般相対論の実験的な検証という意味でも大きな価値がある。そのような観測を統一的に行う事は不可能であると思われてきたが、2021年4月に打ち上げられる偏光X線観測衛星IXPEはその状況を大きく変える可能性がある。なぜならX線の偏光情報を取得することでブラックホ ール近傍の時空の歪みを観測できる事が理論的に予言されているからである。そこで我々はIXPE衛星によりブラックホールを観測し、その時空の歪みを偏光情報を使って検出する事を計画している。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は4つの研究を行った。まず第一は広がった天体に対して偏光マップの精度をより高めるための研究である。イメージに関して精度を上げる研究は盛んに行われてきたが、これを変更に関しても拡張する様な研究である。第二番目がMSH15-52というパルサーウインドネビュラのトーラス部分の磁場がどの程度揃っているのかをIXPEのデータから調べるというものである。MSH15-52のトーラスは、IXPEの角度分解能に比べてほぼ同定の大きさを持っているため、通常の方法では偏光の様子を調べる事ができない。そのため、新しい解析手法を開発し、その有効性を調べるというものである。第三番目のカニパルサーを使ったIXPEの角度分解能のエネルギー依存性を調べる事である。カニパルサー自体は点源であるが、その周りにはカニ星雲が広がっているため、通常カニパルサーを使って検出器の角度分解能のエネルギー依存性を調べる事はできないように思われる。しかし、タイミングプロファイルからパルサーから放射が起こっている時間帯を抜き出すことで、パルサー成分だけを抜き出し、IXPEの角度分解能のエネルギー依存性を調べられることを実証した。最後がブラックホールの研究である。IXPEではHigh/Soft状態のブラックホールを複数観測している。High/Soft状態ではX線の放射が降着円盤で起こっており、その偏光のエネルギー依存性を調べるとブラックホールのスピンの情報を引き出せるという理論的な予言がある。そこで、本当にブラックホールのスピンの情報を引き出せるのかを調べるために2つのブラックホールのデータを詳細に解析した。その結果、精度良くブラックホールのスピンを決定する事はできなかったものの、ほぼ別の方法を使った先行研究とコンシステントな結果が得られた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA/MSFC(米国)
• [Int'l Joint Research] INAF/INFN(イタリア)
• [Int'l Joint Research] NASA/MSFC(米国)
• [Int'l Joint Research] INFN/INAF(イタリア)
• [Int'l Joint Research] NASA/MSFC(米国)
• [Int'l Joint Research] INAF/INFN(イタリア)
• [Int'l Joint Research] NASA/MSFC(米国)
• [Int'l Joint Research] INAF/INFN(イタリア)
• [Int'l Joint Research] NASA/MSFC(米国)
• [Int'l Joint Research] INAF/INFN(イタリア)
• [Journal Article] Detection of X-Ray Polarization from the Blazar 1ES 1959+650 with the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2024)
  • Author(s): Errando, Manel、 Liodakis, Ioannis、 Marscher, Alan P.、Uemura, Makoto、and 141 more
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 963 Issue: 1 Pages: 5-5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad1ce4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-Ray Polarimetry of the Dipping Accreting Neutron Star 4U 1624-49 (2024)
  • Author(s): Saade M. Lynne et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 963 Issue: 2 Pages: 133-133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad235a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-Ray Polarization of the Black Hole X-Ray Binary 4U 1630-47 Challenges the Standard Thin Accretion Disk Scenario (2024)
  • Author(s): Ratheesh Ajay et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 964 Issue: 1 Pages: 77-77
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad226e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Detection of Polarization in X-Rays for PSR B0540-69 and Its Nebula (2024)
  • Author(s): Xie Fei et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 962 Issue: 1 Pages: 92-92
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad17ba
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic field properties inside the jet of Mrk 421 (2024)
  • Author(s): Kim, Dawoon E.、 Di Gesu, Laura、 Liodakis, Ioannis、Uemura, Makoto、and 132 more
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 681 Pages: A12-A12
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202347408
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous space and phase resolved X-ray polarimetry of the Crab pulsar and nebula (2023)
  • Author(s): Bucciantini Niccolo`...Watanabe E(11番目)
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: - Issue: 5 Pages: 602-610
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01936-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First detection of X-ray polarization in thermal state of LMC X-3: spectro-polarimetric study with <i>IXPE</i> (2023)
  • Author(s): Majumder Seshadri et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters Volume: 527 Issue: 1 Pages: L76-L81
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slad148
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic-field structure of the Crab pulsar wind nebula revealed with IXPE (2023)
  • Author(s): Mizuno Tsunefumi、Ohno Hiroshi、Watanabe Eri、Bucciantini Niccol?、Gunji Shuichi、Shibata Sinpei、Slane Patrick、Weisskopf Martin C
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: 6 Pages: 1298-1310
  • DOI: 10.1093/pasj/psad070
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The First X-Ray Polarization Observation of the Black Hole X-Ray Binary 4U 1630-47 in the Steep Power-law State (2023)
  • Author(s): Rodriguez Cavero Nicole et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 958 Issue: 1 Pages: L8-L8
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acfd2c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The first X-ray polarimetric observation of the black hole binary LMC X-1 (2023)
  • Author(s): Podgorn J et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 526 Issue: 4 Pages: 5964-5975
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray polarization evidence for a 200-year-old flare of Sgr A* (2023)
  • Author(s): Marin Frederic et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 619
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06064-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The encircled energy function of the IXPE determined from data of the crab pulsar (2023)
  • Author(s): Kamikobayashi Masaki、Gunji Shuichi、Baldini Luca、Ramsey Brian D.、Watanabe Eri、Terashima Masanobu、Kan Yuuma、Mori Manato
  • Journal Title: SPIE Proceedings Volume: 12679 Pages: 49-49
  • DOI: 10.1117/12.2676614
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-Ray Polarimetry Reveals the Magnetic-field Topology on Sub-parsec Scales in Tycho’s Supernova Remnant (2023)
  • Author(s): Ferrazzoli Riccardo et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 945 Issue: 1 Pages: 52-52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acb496
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization Properties of the Weakly Magnetized Neutron Star X-Ray Binary GS 1826?238 in the High Soft State (2023)
  • Author(s): Capitanio Fiamma et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 943 Issue: 2 Pages: 129-129
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acae88
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Strong X-Ray Polarization Signal from the Magnetar 1RXS J170849.0-400910 (2023)
  • Author(s): Zane Silvia et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 944 Issue: 2 Pages: L27-L27
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acb703
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Irradiation Tests of Silicon Photomultipliers for Use in Space (2023)
  • Author(s): Saito Y.、Gunji S.、Nakamori T.、Mihara T.、Yonetoku D.、Sawano T.、Kurosawa S.、Kodaira S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 70 Issue: 2 Pages: 150-155
  • DOI: 10.1109/tns.2022.3162788
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-Ray Polarization Observations of BL Lacertae (2022)
  • Author(s): Middei Riccardo、Liodakis Ioannis、Perri Matteo、Uemura Makoto、他144名
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 942 Issue: 1 Pages: 10-23
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aca281
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vela pulsar wind nebula X-rays are polarized to near the synchrotron limit (2022)
  • Author(s): Xie Fei...Watanabe E(21番目)
  • Journal Title: Nature Volume: 612 Issue: 7941 Pages: 658-660
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05476-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mapping the circumnuclear regions of the Circinus galaxy with the Imaging X-ray Polarimetry Explorer (2022)
  • Author(s): Ursini F et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 519 Issue: 1 Pages: 50-58
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3189
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The X-Ray Polarimetry View of the Accreting Pulsar Cen X-3 (2022)
  • Author(s): Tsygankov Sergey S et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 941 Issue: 1 Pages: L14-L14
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aca486
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks (2022)
  • Author(s): Liodakis Ioannis et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 611 Issue: 7937 Pages: 677-681
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05338-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observations of 4U 1626-67 with the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • Author(s): Marshall Herman L. et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 940 Issue: 1 Pages: 70-70
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac98c2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry (2022)
  • Author(s): Doroshenko Victor et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 6 Issue: 12 Pages: 1433-1443
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01799-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization constraints on the X-ray corona in Seyfert Galaxies: MCG-05-23-16 (2022)
  • Author(s): Marinucci A et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 516 Issue: 4 Pages: 5907-5913
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2634
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The X-Ray Polarization View of Mrk 421 in an Average Flux State as Observed by the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • Author(s): Di Gesu Laura et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 938 Issue: 1 Pages: L7-L7
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac913a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-Ray Polarization Detection of Cassiopeia A with IXPE (2022)
  • Author(s): Vink Jacco et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 1 Pages: 40-40
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8b7b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Limits on X-Ray Polarization at the Core of Centaurus A as Observed with the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • Author(s): Ehlert Steven R. et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 935 Issue: 2 Pages: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8056
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarized x-rays constrain the disk-jet geometry in the black hole x-ray binary Cygnus X-1 (2022)
  • Author(s): Krawczynski Henric et al.
  • Journal Title: Science Volume: 378 Issue: 6620 Pages: 650-654
  • DOI: 10.1126/science.add5399
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarized x-rays from a magnetar (2022)
  • Author(s): Taverna Roberto et al.
  • Journal Title: Science Volume: 378 Issue: 6620 Pages: 646-650
  • DOI: 10.1126/science.add0080
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE): Pre-Launch (2022)
  • Author(s): Martin C. Weisskopf et al.
  • Journal Title: JATIS Volume: 8 Pages: 1-30
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] IXPE衛星によるMSH15-52の inner-torusでのX線偏光解析 (2024)
  • Author(s): 森愛斗
  • Organizer: 2024年春季日本物理学会
• [Presentation] IXPEで開かれた偏光をプローブとした高エネルギー宇宙物理学 (2024)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 高エネルギー宇宙連絡会年会
  • Invited
• [Presentation] The Encircled Energy Function (EEF) of the IXPE determined from Data of the Crab Pulsar (2023)
  • Author(s): 上小林柾
  • Organizer: SPIE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線偏光撮像衛星IXPEの 科学観測成果 (2023)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 2023年秋季日本物理学会
• [Presentation] IXPE 衛星による Vela パルサー星雲の X 線偏光観測 (2023)
  • Author(s): 渡邉瑛里
  • Organizer: 2023年秋季日本物理学会
• [Presentation] IXPE衛星を用いたHigh/Soft状態におけるブラックホール連星のX線偏光観測 (2023)
  • Author(s): 管佑真
  • Organizer: 2023年秋季日本物理学会
• [Presentation] Crab Pulsarを用いたIXPE衛星のEncircled Energy Fractionの評価 (2023)
  • Author(s): 上小林柾 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] IXPE衛星による初期科学観測 (2022)
  • Author(s): 郡司修一 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] IXPE衛星による「かに星雲・パルサー」のX線偏光観測 (2022)
  • Author(s): 水野恒史 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] カニ星雲を用いたChandraとIXPEのジョイント解析による偏光解析手法の開発 (2022)
  • Author(s): 渡邉瑛里 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Polarization measurement of GRB Afterglow by IXPE (2022)
  • Author(s): 寺島政伸 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] IXPEを用いたブラックホールスピンの決定方法 (2022)
  • Author(s): 管佑真 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Ｘ線偏光観測衛星 IXPE の現状 (1) (2022)
  • Author(s): 玉川徹
  • Organizer: 日本天文学会 2022年春季大会
• [Presentation] IXPE衛星によって開かれるイメージングX線偏光観測 (2022)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年春季大会
• [Presentation] カニ星雲を用いたChandraとIXPEのジョイント解析による偏光解析手法の開発 (2022)
  • Author(s): 渡邉瑛里
  • Organizer: 日本物理学会 2022年春季大会
• [Presentation] 山形大学におけるIXPE衛星の観測シミュレーション (2022)
  • Author(s): 寺島政伸
  • Organizer: 2022年宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] X線偏光観測衛星IXPEの現状 (2022)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 高エネルギー宇宙連合研究会
• [Presentation] X線偏光観測衛星 IXPE への参加現状 (7) (2021)
  • Author(s): 玉川徹
  • Organizer: 日本天文学会 2021年秋季大会
• [Presentation] IXPE衛星におけるガンマ線バースト残光の観測クライテリア (2021)
  • Author(s): 寺島政伸
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] X線偏光衛星IXPEの開発の現状 (2021)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] IXPE衛星によるGRB afterglowの偏光観測シミュレーション (2021)
  • Author(s): 寺島政伸
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 日本チームによるIXPE衛星の偏光観測シミュレーションの現状 (2021)
  • Author(s): 郡司修一
  • Organizer: 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] X線偏光観測衛星IXPEへの参加現状 (2021)
  • Author(s): 玉川徹
  • Organizer: 日本天文学会
• [Presentation] Simulation Study of IXPE Capability for the Crab Nebula and Supernova Remnants (2021)
  • Author(s): Ryuya Yamamoto
  • Organizer: Astropol
• [Remarks] X線偏光撮像衛星IXPEによるかに星雲の観測結果がNature Astronomyに掲載されました。
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/1039/
• [Remarks] モンスター級のガンマ線バーストに対してX線の偏光観測をIXPEが世界で初めて実現しました
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/1038/
• [Remarks] IXPE衛星によってベラパルサー星雲から究極的に強く偏光したX線が観測されました
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/996/
• [Remarks] IXPE衛星による強磁場星(マグネター)の観測結果がScience誌に掲載されました
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/988/
• [Remarks] IXPE衛星によってブラックホールからX線の偏光が初めて観測されました
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/989/
• [Remarks] X線偏光撮像衛星IXPEによるかに星雲の観測結果がNature Astronomyに掲載されました
  • URL: https://www.sci.yamagata-u.ac.jp/news/detail/1039/