宇宙X線精密観測による低エネルギー宇宙線の銀河面分布とスペクトルの初測定

• 研究課題/領域番号: 20K14491
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 信川 久実子 近畿大学, 理工学部, 講師 (60815687)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2022年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: X線天文学 / 宇宙線 / 超新星残骸

研究開始時の研究の概要

銀河宇宙線の起源は高エネルギー宇宙物理の未解決問題の1つである。それは、「熱的粒子の一部が衝撃波により加速され、徐々に高いエネルギーになるプロセス」と理解されている。しかしこれまでは高エネルギー宇宙線（GeV-TeV帯域）しか観測されておらず、低エネルギー宇宙線（keV-MeV帯域）は未観測だった。申請者は「中性鉄からのX線輝線を用いた低エネルギー宇宙線測定」という新しい手法を「すざく」衛星の観測データを用いて実証した。本研究は、NuSTAR、XRISM衛星によるX線観測を用いて低エネルギー宇宙線の空間分布とエネルギースペクトルを初めて明らかにする。これにより、銀河宇宙線の真の起源を解明する。

研究実績の概要

超新星残骸 (SNR) は銀河宇宙線の起源と考えられている。まず、銀河系内のSNR W51Cをすざく衛星で観測し、低エネルギー宇宙線が星間物質中の中性鉄原子を電離することで放射されたと考えられる中性鉄輝線を2.0σの有意度で検出した。結果を査読付き論文として出版した。さらに、銀河系中心の西側の領域に存在する超新星残骸で、低エネルギー宇宙線起源の中性鉄輝線の系統的な調査を行った。そのうちG346.6-0.2からは、低エネルギー宇宙線起源の可能性が高い中性鉄輝線を3σの有意度で検出した。また、電波天文学の専門家との共同研究で、G346.6-0.2に付随する分子雲を初めて特定した。
電離率、中性鉄輝線、ガンマ線放射に寄与する宇宙線陽子のエネルギーはそれぞれ異なる。3つの観測量を同じ場所で観測すれば、広帯域な宇宙線の情報が得られ、宇宙線の分子雲中での伝播の過程を制限できることを、理論分野の専門家との共同研究で明らかにした。さらに、中性鉄輝線とガンマ線が両方観測されている領域で電離率を測定するため、ALMA望遠鏡の観測提案を行い、W44とIC443の観測が採択された。観測が行われ次第、分子雲中での伝播過程を明らかにしたい。
低エネルギー宇宙線は宇宙線加速と星・惑星形成の両方の観点で重要だが、両分野の研究者が同じ研究会に集う機会はあまりない。そこで『低エネルギー宇宙線Workshop2021』を2021年3月にオンラインで開催し、関係する国内の研究者と情報交換と活発な議論を行い、好評であった。
2023年度打ち上げ予定のXRISM搭載CCD検出器Xtendは、広い視野と大きな有効面積を持ち、低エネルギー宇宙線起源の淡く広がった中性鉄輝線の観測に最適である。Xtendの性能を最大化するため、地上試験データを用いて新しい較正手法を確立し、成果を査読付き論文として出版した。

研究成果

• [雑誌論文] Confirmation of dust scattering echo around MAXI J1421-613 by Swift observation (2023)
  • 著者名/発表者名: Nobukawa Kumiko K.、Nobukawa Masayoshi、Yamauchi Shigeo
  • 雑誌名: Advances in Space Research 巻: 71 号: 1 ページ: 1074-1079
  • DOI: 10.1016/j.asr.2022.09.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Initial state of the recombining plasma in supernova remnant W28 (2023)
  • 著者名/発表者名: Himono Rui、Nobukawa Masayoshi、Yamauchi Shigeo、Nobukawa Kumiko K、Suzuki Nari
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 75 号: 2 ページ: 373-383
  • DOI: 10.1093/pasj/psad005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectral study of the Galactic ridge X-ray emission with Suzaku: Comparison of the spectral shape with point sources (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kumiko、Yamauchi Shigeo、Nobukawa Masayoshi、Nobukawa Kumiko K、Uchiyama Hideki
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 75 号: 3 ページ: 75-75
  • DOI: 10.1093/pasj/psad016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation Study of Pulse Height Difference Between Pixel Patterns of X-ray CCDs Onboard the XRISM Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Aoki Yuma、Ito Yamato、Nobukawa Masayoshi et al.
  • 雑誌名: Proceedings of science 巻: 420 ページ: 0036-0036
  • DOI: 10.22323/1.420.0036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Suzaku observations of Fe K-shell lines in the supernova remnant W51C and hard X-ray sources in the proximity (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimaguchi Aika、Nobukawa Kumiko K、Yamauchi Shigeo、Nobukawa Masayoshi、Fujita Yutaka
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 号: 3 ページ: 656-663
  • DOI: 10.1093/pasj/psac026
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM) (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、（他52名）
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 12181 ページ: 11-11
  • DOI: 10.1117/12.2626894
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Koji Mori, Takeshi G. Tsuru, Tetsu Kitayama (31番目), 他
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation 巻: 12181 ページ: 1218122-1218122
  • DOI: 10.1117/12.2628772
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Emission from the PeVatron-candidate Supernova Remnant G106.3+2.7 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Fujita, Aya Bamba, Kumiko K. Nobukawa, Hironori Matsumoto
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 912 号: 2 ページ: 133-133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf14a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurement of Low-energy Cosmic Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumiko K. Nobukawa
  • 雑誌名: New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond. ASP Conference Series 巻: 528 ページ: 415-1422
• [雑誌論文] Discovery of a Wind-blown Bubble Associated with the Supernova Remnant G346.6-0.2: A Hint for the Origin of Recombining Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano H.、Suzuki H.、Nobukawa K. K.、Filipovic M. D.、Fukui Y.、Moriya T. J.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 923 号: 1 ページ: 15-15
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1c02
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Screening and selection of XRISM/Xtend flight model CCD (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Hanaoka Maho et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 985 ページ: 164676-164676
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164676
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Intrusion of MeV?TeV Cosmic Rays into Molecular Clouds Studied by Ionization, the Neutral Iron Line, and Gamma Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujita Yutaka、Nobukawa Kumiko K.、Sano Hidetoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 908 号: 2 ページ: 136-136
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abce62
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discovery of annular X-ray emission centered on MAXI?J1421-613: Dust-scattering X-rays? (2020)
  • 著者名/発表者名: Nobukawa Kumiko K、Nobukawa Masayoshi、Yamauchi Shigeo
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 号: 2
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa007
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray emission from the mixed-morphology supernova remnant HB9 (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Mariko、Yamauchi Shigeo、Nobukawa Kumiko K、Bamba Aya、Pannuti Thomas G
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 号: 4 ページ: 65-65
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa042
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of recombining plasma associated with the candidate supernova remnant G189.6+3.3 with Suzaku (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamauchi Shigeo、Oya Moe、Nobukawa Kumiko K、Pannuti Thomas G
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 号: 5
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa070
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical blocking performance of CCDs developed for the X-ray Astronomy Satellite XRISM (2020)
  • 著者名/発表者名: Uchida, Hiroyuki; Tanaka, Takaaki; Amano, Yuki; Okon, Hiromichi; Tsuru, Takeshi G.; Nakajima, Hiroshi; Noda, Hirofumi; Hayashida, Kiyoshi; Matsumoto, Hironori; Hanaoka, Maho; Yoneyama, Tomokage; Okazaki, Koki; Asakura, Kazunori; et al.
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 巻: 978 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164374
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental studies on the charge transfer inefficiency of CCD developed for the soft X-ray imaging telescope Xtend aboard the XRISM satellite (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanemaru Yoshiaki、Sato Jin、Kumiko K. Nobukawa et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 984 ページ: 164646-164646
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164646
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] X線分光撮像衛星(XRISM) 搭載軟X線撮像装置(Xtend) の開発の現状(9) (2023)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] Simulation study of pulse height difference between pixel patterns of X-ray CCDs onboard the XRISM satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Aoki Yuma、Kumiko K. Nobukawa et al.
  • 学会等名: 10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging
  • 国際学会
• [学会発表] 超新星残骸3C396における鉄K輝線の調査 (2022)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子、神農夕奈
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 超新星残骸における低エネルギー宇宙線起源の中性鉄輝線の探査 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森川朋美、信川久実子、小沼将天、信川正順、山内茂雄、佐治重孝、松本浩典
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] X線天文衛星「すざく」による超新星残骸3C400.2のプラズマ調査 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小沼将天、信川久実子、信川正順、山内茂雄
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載CCD検出器におけるGoffsetのシミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木悠馬、信川久実子、信川正順、金丸善朗、宮崎啓太郎、楠康平、森浩二、冨田洋、中嶋大、松本浩典、野田博文、林田清、鶴剛、内田裕之、田中孝明、鈴木寛大、吉田鉄生、米山友景、村上弘志、山内誠、廿日出勇、萩野浩一、幸村孝由、小林翔悟、平賀純子、内山秀樹、山岡和貴、尾崎正伸、堂谷忠靖、常深博、他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 次期X線天文衛星XRISMで探る天の川銀河に広がるX線放射 (2022)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子、XRISM GCチーム
  • 学会等名: 天の川銀河研究会2022
• [学会発表] 超小型衛星で探る銀河系中心・銀河面からの鉄輝線 (2022)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子、鶴剛、信川正順
  • 学会等名: 2040年代のスペース天文学
• [学会発表] SwiftとすざくによるMAXI J1421-613のダスト散乱エコーの観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子、信川正順、山内茂雄
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 低エネルギー宇宙線起源の中性鉄輝線探査と今後の展望 (2021)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子
  • 学会等名: SNR Workshop 2022
  • 招待講演
• [学会発表] 中性鉄輝線で探る低エネルギー宇宙線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子
  • 学会等名: 低エネルギー宇宙線ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Discovery of annular X-ray emission centered on MAXI J1421-613: Dust-scattering X-rays? (2020)
  • 著者名/発表者名: K. K. Nobukawa, M. Nobukawa, S. Yamauchi
  • 学会等名: 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • 国際学会