X線精密分光で解明する衝撃波における粒子加速の初期過程

• 研究課題/領域番号: 15K17657
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 青山学院大学
• 研究代表者: 澤田 真理 青山学院大学, 理工学部, 助教 (00633281)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2016年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: ひとみ / ASTRO-H / 超新星残骸 / 精密分光 / 銀河団 / 宇宙線

研究実績の概要

第二年度は「ひとみ (ASTRO-H)」衛星による超新星残骸の観測データをもちい，精密分光器SXSで得た輝線スペクトルから熱的粒子と超熱的粒子の存在量を，硬X線撮像器HXIで得た硬X線連続スペクトルから非熱的粒子の存在量をそれぞれ決定し，初期加速とフェルミ加速の効率に制限を与える研究計画であった。実際の研究実績は以下のとおりである。
「ひとみ」衛星は本課題第一年度末に通信不通となり，第二年度初頭に運用断念に至った。若干の観測データは得られたものの，初期運用期間であったため，衛星そのものの運用や各観測装置の初期較正が主であったこと，この期間に本研究のターゲットである熱的プラズマをもつ超新星残骸の十分な観測が行われなかったことなどの理由で，本来の計画にもとづく研究遂行は不可能となった。一方で，得られた観測データには，天体種こそ異なるが，ペルセウス座銀河団のSXS精密スペクトルが含まれた。そこでこれをもちいて本研究課題を部分的に遂行することとした。なおこれは研究計画であらかじめ準備していた代替案である。
ペルセウス座銀河団の観測はSXS立ち上げ直後に行われたため，データプロセス，較正，解析のいずれにおいても，定常観測期間で得られるデータとは異なる処理などが必要となった。さらに，精密スペクトルから物理量を引き出すための放射モデルも，SXSによる実観測データとの比較から，多数の改善点が浮き彫りとなった。これらをすべてに対応することが研究遂行上まず必要であったため，本年度は複数の「ひとみ」コラボレーション内の国際ワークショップに参加し，解決にあたるとともに，複数の初期成果をコラボレーション名義で出版した。そのうえで，年度末にペルセウス座銀河団のSXS精密スペクトルから実際に超熱的電子の存在量を推定する解析を行うまでに至った。現在は追加解析を行うとともに結果の出版に向けた作業を進めている。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

第一に，第一年度の実施報告でも書いたとおり，「ひとみ」衛星の打ち上げそのものが申請時のスケジュールから約半年間遅延したこと。第二に，衛星が初期運用中に失われ，残存するデータを活用することになったが，定常運用とは異なるため，データプロセス・較正・解析において，数多くの追加処理・新規手法確立が必要となり，その作業に時間を取られたこと。第三に，早期衛星運用終了という予期せぬ事態をむかえ，限られたデータをもちいてサイエンスを最大限に導出するために，データライツ・役割分担・成果発表などの進め方に関してコラボレーション内で議論を重ねた際に，共通理解と合意の形成に予想外に時間を要したこと。

今後の研究の推進方策

まずペルセウス座銀河団をもちいた結果の早期出版をめざす。また，計画時に想定していたもう１つの代替案である，XMM-Newton衛星のRGSなどの分散型分光器によるデータを利用しての超新星残骸での超熱的粒子存在量の制限にも挑戦する。ただし，これは広がりの小さな残骸の，軽い元素からの輝線スペクトルにのみ適用可能な方法であり，いずれにしても本研究は当初の計画から目標を縮小して遂行することになる。「ひとみ」と同様の精密分光を行う将来衛星計画を念頭に，これまで準備した放射コード・モデルと，「ひとみ」精密スペクトル解析の実績を反映し，シミュレーションや解析手法の改善を行う。

次年度使用額の使用計画

「ひとみ」で取得した精密分光スペクトルの解析において残存する放射モデル由来の不定性を可能な限り低減するため，共同研究機関の１つである米国ローレンスリバモア国立研究所での地上プラズマ実験装置をもちいたX線放射測定実験を追加で計画している。その旅費などとして使用する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] NASA/GSFC/CfA/LLNL(米国)
• [国際共同研究] SRON/Leiden University(オランダ)
• [雑誌論文] HitomiConstraints on the 3.5 keV Line in the Perseus Galaxy Cluster (2017)
  • 著者名/発表者名: Aharonian, F. A., Akamatsu, H, Terada, Y. et al (Hitomi collaboration)
  • 雑誌名: Astrophysical Jounal Letters 巻: 837 ページ: 15-15
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa61fa
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A systematic study of the cosmic-ray acceleration at the supernova remnant RCW 86 with Suzaku (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsubone, M. Sawada, A. Bamba, S. Katsuda, J. Vink
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 835 ページ: 34-34
  • DOI: 10.3847/1538-4357/835/1/34
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Quiet Intracluster Medium in the Core of the Perseus Cluster (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 535 ページ: 117-117
  • DOI: 10.1038/nature18627
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery of X-Ray Emission from the Galactic Supernova Remnant G32.8-0.1 with Suzaku (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bamba, Y. Terada, J. Hewitt, R. Petre, L. Angelini, S. Safi-Harb, P. Zhou, F. Bocchino, M., Sawada
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 818 ページ: 63-63
  • DOI: 10.3847/0004-637x/818/1/63
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Temporal Gain Correction for X-ray Calorimeter Spectrometers (2016)
  • 著者名/発表者名: Porter, F. S.; Chiao, M. P.; Eckart, M. E.; Fujimoto, R.; Ishisaki, Y.; Kelley, R. L.; Kilbourne, C. A.; Leutenegger, M. A.; McCammon, D.; Mitsuda, K.; Sawada, M.; Szymkowiak, A. E.; Takei, Y.; Tashiro, M.; Tsujimoto, M.; Watanabe, T.; Yamada, S.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: not assigned ページ: 1-6
  • DOI: 10.1007/s10909-016-1503-2
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] New Identification of the Mixed-Morphology Supernova Remnant G298.6－0.0 with Suzaku (2016)
  • 著者名/発表者名: Bamba, Aya; Sawada, Makoto; Nakano, Yuto; Terada, Yukikatsu; Hewitt, John; Petre, Robert; Angelini, Lorella
  • 雑誌名: PASJ 巻: not assigned ページ: 1-7
  • DOI: 10.1093/pasj/psv096
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [学会発表] 超新星残骸プラズマのX線分光観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤田真理
  • 学会等名: 日本天文学会2017年春季年会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] 「ひとみ」SXS 精密分光による銀河団プラズマの新Ｘ線スペクトル構造探査 (2017)
  • 著者名/発表者名: 澤田真理, J. Kaastra, L. Gu, 赤松弘規, J. de Plaa, C. de Vries, R. Smith, A. Foster, 小高裕和, M. Leutenegger, M. Markevitch C. Kilbourne, 山口弘悦, G. Brown, F. Paerels, 太田直美, 田村隆幸, 中島真也, 上田周太朗, 松下恭子, 佐藤浩介, R. Mushotzky, 大橋隆哉, ほか「ひとみ」コラボレーション
  • 学会等名: 日本天文学会2017年春季年会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] Atomic data and spectral modeling constraints from high-resolution X-ray spectroscopic observations of the Perseus cluster with Hitomi (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Sawada, J. Kaastra, L. Gu, H. Akamatsu, J. de Plaa, C. de Vries, R. Smith, A. Foster, H. Odaka, M. Leutenegger, M. Markevitch, C. Kilbourne, H. Yamaguchi, G. Brown, F. Paerels, N. Ota, T. Tamura, S. Nakashima, S. Ueda, K. Matsushita, K. Sato, R. Mushotzky, T. Ohashi, and Hitomi Collaboration
  • 学会等名: 7 years of MAXI : monitoring X-ray transients
  • 発表場所: 理化学研究所
  • 年月日: 2016-12-05
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] A Hitomi observation of the SNR N132D (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤田真理
  • 学会等名: SNR workshop 2016 winter
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2016-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙X線観測用マイクロカロリメーターのセンサ熱浴温度計測に対する軌道上宇宙線擾乱と，信号処理によるその影響の低減 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤田真理，山田真也，石崎欣尚，竹井洋，辻本匡弘，寺田幸功，C. A. Kilbourne，F. S. Porter，M. E. Eckart，M. A. Leutenegger, L. Angellini，ほか「ひとみ」SXS チーム，「ひとみ」Software/Calibration チーム
  • 学会等名: 日本天文学会2016年秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] 「すざく」 による超新星残骸 G306.3- 0.9 からの鉄 K 輝線の発見 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤田真理，伊藤優汰，馬場彩，立花克裕，松村英晃，内田裕之
  • 学会等名: 日本天文学会2016年秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] X-ray micro-calorimeter spectrometer SXS on ASTRO-H (2015)
  • 著者名/発表者名: Makoto Sawada
  • 学会等名: Spectroscopy of Cosmic Plasma in the Era of ASTRO-H
  • 発表場所: Aoyama Gakuin University
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演