ALMA電波干渉計で探る超新星残骸の宇宙線加速機構

• 研究課題/領域番号: 21H01136
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 岐阜大学
• 研究代表者: 佐野 栄俊 岐阜大学, 工学部, 助教 (50739472)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円); 2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2021年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
• キーワード: ALMA / 超新星残骸 / 宇宙線 / 星間雲 / ガンマ線 / NANTEN2 / 再結合優勢プラズマ

研究開始時の研究の概要

超新星残骸における宇宙線加速の理解は、高エネルギー天文学の重要課題である。申請者はこれまでに、超新星残骸に付随する星間雲の特定が、被加速粒子の振る舞いや非熱的放射の理解に不可欠であることを示してきた。一方で銀河系内の研究対象は、星間雲の解像が容易な視直径の大きい太陽系近傍天体に限定されていた。本研究では、電波干渉計 ALMA による高解像度分子雲探査を軸に、系内天体の大部分を占める視直径0.5度以下の遠方天体にこれを拡張する。従来の10倍以上広い空間レンジで被加速宇宙線エネルギーを定量し、宇宙線加速や非熱的放射に対する星間雲の役割を銀河スケールで明らかにする。

研究実績の概要

[1] SN1006 に付随する星間雲の特定 (Sano et al. 2022, ApJ, 933, 157)
超新星残骸 (SNR) SN1006 に付随する原子雲 (HIガス) を、ATCA 電波干渉計を HI 線データの空間・速度分布解析によってかつてない確度で特定・定量した。結果として SN1006　が、白色矮星と伴星からなるシステムからの質量降着風によって形成されたバブル内部で爆発したというシナリオを提案した。また、被加速宇宙線陽子の全エネルギー Wp は、わずか ~1.2-2.0×10^47 erg であり、これまでの SNR 年齢-Wp の関係ともそういないことを確認した。宇宙線加速効率の SNR 年齢依存性を議論するうえで重要な研究成果である。
[2] Puppis A に付随する星間雲の特定 (Aruga, Sano et al. 2022, ApJ, 938, 94)
NANTEN2 電波望遠鏡や ATCA 電波干渉計を駆使して、SNR Puppis A に付随する星間雲を特定した。CO/HIの膨張シェル、高いガス温度などが決め手だった。ガンマ線との比較から、加速された宇宙線の大部分がすでにSNRから拡散していることを突き止めた。宇宙線の拡散過程を観測的に解明した貴重なサンプルである。
[3] ALMA 観測提案の受理 (PI: 1件, Co-I: 2件)
ALMA Cycle 9 において、SNR 方向の CO 輝線観測を提案した。結果として、ガンマ線 SNR RCW 103 や、Puppis A, IC443 の計３天体の観測が PI として1件、Co-I として2件採択された。Puppis A については、[2] の研究成果の発展を促すものであり、大変意義深い。観測はほぼ全て完了し、次年度以降の研究推進のための必要不可欠なデータを準備することができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

新型コロナウイルスの世界的な蔓延による ALMA 電波干渉計の運用停止など、データ取得に若干の遅れが生じたが、当該研究課題に関する成果を、申請代表者が主著または責任著者の2編の査読つき論文 (Sano et al. 2022, ApJ, 933, 157; Aruga, Sano et al. 2022, ApJ, 938, 94) として出版できたこと、さらに ALMA 観測提案３件の採択に鑑みて、上記の区分を選択した。

今後の研究の推進方策

10個を超える SNR について、ALMA による CO 輝線観測データが取得できたので、これらのデータ解析を進める。具体的には、干渉計データのリダクションをはじめ、 SNR シェルとの比較による空間・速度分布解析や、non-LTE 近似を用いた付随分子雲の運動温度および水素分子個数密度の定量を行う。併せて、ALMA への追加の観測提案も積極的に行う。成果は査読つき論文として出版できるように準備し、それらのブラッシュアップのために、国内外の研究会で積極的に講演を行う。

研究成果

• [国際共同研究] The University of Adelaide/Western Sydney University/University of New South Wales(オーストラリア)
• [国際共同研究] Max-Planck-Institut fur Kernphysik/Max-Planck-Institut fur Astrophysik/Ludwig-Maximilians Universitat(ドイツ)
• [国際共同研究] University of California(米国)
• [国際共同研究] Sapienza Universita di Roma/Istituto Nazionale di Fisica Nucleare(イタリア)
• [国際共同研究] Universidade de Lisboa(ポルトガル)
• [雑誌論文] Mysterious odd radio circle near the large magellanic cloud - an intergalactic supernova remnant? (2022)
  • 著者名/発表者名: Filipovic Miroslav D、Payne J L、Alsaberi R Z E、Norris R P、Macgregor P J、Rudnick L、Koribalski B S、Leahy D、Ducci L、Kothes R、Andernach H、Barnes L、Bojicic I S、Bozzetto L M、Brose R、Collier J D、Crawford E J、Crocker R M、Dai S、Galvin T J、Sano H、ほか30名
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 512 号: 1 ページ: 265-284
  • DOI: 10.1093/mnras/stac210
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge Exchange X-Ray Emission Detected in Multiple Shells of Supernova Remnant G296.1-0.5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yukiko、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Koshiba Yosuke、Go Tsuru Takeshi、Sano Hidetoshi、Fukui Yasuo
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 号: 1 ページ: 101-101
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac738f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An Expanding Shell of Neutral Hydrogen Associated with SN 1006: Hints for the Single-degenerate Origin and Faint Hadronic Gamma-Rays (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano H.、Yamaguchi H.、Aruga M.、Fukui Y.、Tachihara K.、Filipovic M. D.、Rowell G.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 号: 2 ページ: 157-157
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7465
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-resolution X-ray study of supernova remnant J0453.6?6829 with unusually high forbidden-to-resonance ratio (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshiba Yosuke、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Sano Hidetoshi、Tsuru Takeshi Go
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 号: 4 ページ: 757-766
  • DOI: 10.1093/pasj/psac033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular and Atomic Clouds Associated with the Gamma-Ray Supernova Remnant Puppis A (2022)
  • 著者名/発表者名: Aruga M.、Sano H.、Fukui Y.、Reynoso E. M.、Rowell G.、Tachihara K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 938 号: 2 ページ: 94-94
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac90c6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New ASKAP radio supernova remnants and candidates in the Large Magellanic Cloud (2022)
  • 著者名/発表者名: Bozzetto Luke M、Filipovic Miroslav D、Sano H、Alsaberi R Z E、Barnes L A、Bojicic I S、Brose R、Chomiuk L、Crawford E J、Dai S、Ghavam M、Haberl F、Hill T、Hopkins A M、Ingallinera A、Jarrett T、Kavanagh P J、ほか20名
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 518 号: 2 ページ: 2574-2598
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2922
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical reconstruction of dust in the region of supernova remnant RX J1713.7-3946 from astrometric data (2021)
  • 著者名/発表者名: Leike R.、Celli S.、Krone-Martins A.、Boehm C.、Glatzle M.、Fukui Y.、Sano H.、Rowell G.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 5 号: 8 ページ: 832-838
  • DOI: 10.1038/s41550-021-01344-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The interstellar medium in young supernova remnants: key to the production of cosmic X-rays and gamma-rays (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano Hidetoshi、Fukui Yasuo
  • 雑誌名: Astrophysics and Space Science 巻: 366 号: 6 ページ: 58-74
  • DOI: 10.1007/s10509-021-03960-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Explaining the extended GeV gamma-ray emission adjacent to HESS J1825-137 (2021)
  • 著者名/発表者名: Collins T、Rowell G、Mitchell A M W、Voisin F、Fukui Y、Sano H、Alsulami R、Einecke S
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 504 号: 2 ページ: 1840-1853
  • DOI: 10.1093/mnras/stab983
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pursuing the Origin of the Gamma Rays in RX J1713.7-3946 Quantifying the Hadronic and Leptonic Components (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukui Yasuo、Sano Hidetoshi、Yamane Yumiko、Hayakawa Takahiro、Inoue Tsuyoshi、Tachihara Kengo、Rowell Gavin、Einecke Sabrina
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 915 号: 2 ページ: 84-98
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abff4a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Associated Molecular and Atomic Clouds with X-Ray Shell of Superbubble 30 Doradus C in the LMC (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamane Y.、Sano H.、Filipovic M. D.、Tokuda K.、Fujii K.、Babazaki Y.、Mitsuishi I.、Inoue T.、Aharonian F.、Inaba T.、Inutsuka S.、Maxted N.、Mizuno N.、Onishi T.、Rowell G.、Tsuge K.、Voisin F.、Yoshiike S.、Fukuda T.、Kawamura A.、Bamba A.、Tachihara K.、Fukui Y.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 918 号: 1 ページ: 36-52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0adb
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ALMA CO Observations of the Mixed-morphology Supernova Remnant W49B: Efficient Production of Recombining Plasma and Hadronic Gamma Rays via Shock-Cloud Interactions (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano H.、Yoshiike S.、Yamane Y.、Hayashi K.、Enokiya R.、Tokuda K.、Tachihara K.、Rowell G.、Filipovic M. D.、Fukui Y.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 919 号: 2 ページ: 123-137
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0dba
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Possible Detection of X-Ray Emitting Circumstellar Material in the Synchrotron-dominated Supernova Remnant RX J1713.7-3946 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tateishi Dai、Katsuda Satoru、Terada Yukikatsu、Acero Fabio、Yoshida Takashi、Fujimoto Shin-ichiro、Sano Hidetoshi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 923 号: 2 ページ: 187-187
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac2c00
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First extragalactic measurement of the turbulence driving parameter: ALMA observations of the star-forming region N159E in the Large Magellanic Cloud (2021)
  • 著者名/発表者名: Sharda Piyush、Menon Shyam H、Federrath Christoph、Krumholz Mark R、Beattie James R、Jameson Katherine E、Tokuda Kazuki、Burkhart Blakesley、Crocker Roland M、Law Charles J、Seta Amit、Gaetz Terrance J、Pingel Nickolas M、Seitenzahl Ivo R、Sano Hidetoshi、Fukui Yasuo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 509 ページ: 2180-2193
  • DOI: 10.1093/mnras/stab3048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ALMAで探る超新星残骸と星間物質の相互作用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 近傍宇宙の観測的研究で探る星間物質ライフサイクル
• [学会発表] An ALMA View of Molecular Filaments Associated with Shock-Excited OH Masers (2023)
  • 著者名/発表者名: Sano, H., Onishi, Y., Sudou, H., Takaba, H., Wakamatsu, K.-I.
  • 学会等名: IAU symposium 380: Cosmic Masers
  • 国際学会
• [学会発表] ガンマ線超新星残骸 RX J0852.0-4622 における陽子起源・電子起源ガンマ線 の観測的定量:複数平面による領域ごとのガンマ線起源の分離 (2023)
  • 著者名/発表者名: 有賀麻貴, 福井康雄, 佐野栄俊, 早川貴敬, 立原研悟, 井上剛志, Gavin Rowell, Sabrina Einecke
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] GeV ガンマ線超新星残骸 3C 391 に付随する分子雲と宇宙線加速 (2023)
  • 著者名/発表者名: 寺本寛生, 佐野栄俊, 須藤広志, 高羽浩, 有賀麻貴, 福井康雄
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] ガンマ超新星残骸 (SNR) における宇宙線の起源 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福井康雄, 佐野栄俊, 有賀麻貴, 早川貴敬, 井上剛志, 立原研悟, Gavin Rowell, Sabrina Einecke
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] RCW 86 東部の X 線・分子雲観測を用いた衝撃波-分子雲相互作用と宇宙線加速の関係の検証 (2023)
  • 著者名/発表者名: 馬場彩, 佐野栄俊, 山崎了, Jacco Vink
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] Ia 型超新星残骸 3C 397 に付随する分子雲 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤大将, 佐野栄俊, 須藤広志, 高羽浩, 三石郁之, 中澤知洋
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] ASTE を用いた大質量星形成領域 RCW 38 の [CI](2-1) 観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊, 石井峻, 伊王野大介, 鎌崎剛, 南谷哲宏, 泉奈都子, 徳田一起, 山田麟, 立原研悟, 福井康雄, 浅山信一郎
  • 学会等名: 日本天文2023年春季年会
• [学会発表] Discovery of Shocked Molecular Clouds Associated with the Shell-type Supernova Remnant RX J0046.5-7308 in the Small Magellanic Cloud (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: SKA precursorによる星間物質研究ワークショップ2022
• [学会発表] ALMA CO Observations in the Northwestern Shell of the Gamma-Ray SNR RX J1713.7-3946 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano, H., Inoue, T., Tokuda, K., Tanaka, T., Yamazaki, R., Inutsuka, S., Aharonian, F., Rowell, G., Filipovic, M. D., Yamane, Y., Yoshiike, S., Maxted, N., Uchida, H., Hayakawa, T., Tachihara, K., Uchiyama, Y., Fukui, Y.
  • 学会等名: 7th Heidelberg International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy
  • 国際学会
• [学会発表] Shock-cloud interaction in supernova remnants revealed by Chandra and ALMA (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: Supernova Remnants and their Progenitors
  • 国際学会
• [学会発表] 星間物質の精査による超新星残骸の探究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 2022年度 第52回 天文・天体物理若手夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] 超新星残骸 RX J1713.7-3946 南西部の衝撃波速度の測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中孝明, 内田裕之, 佐野栄俊, 鶴剛
  • 学会等名: 日本天文2022年秋季年会
• [学会発表] ガンマ線超新星残骸 Puppis A に付随する分子ガスと原子ガス (2) (2022)
  • 著者名/発表者名: 有賀麻貴, 立原研悟, 福井康雄, 佐野栄俊, Estela Reynoso, Gavin Rowell
  • 学会等名: 日本天文2022年秋季年会
• [学会発表] Ia型超新星残骸 SN 1006 に付随する膨張HIシェルの発見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊, 山口弘悦, 有賀麻貴, 福井康雄, 立原研悟, Miroslav D. Filipovic, Gavin Rowell
  • 学会等名: 日本天文2022年秋季年会
• [学会発表] 超新星残骸における宇宙線加速と星間物質 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 宇宙線研究会 2022「宇宙線で繋ぐ文明・地球環境・太陽系・銀河」
  • 招待講演
• [学会発表] 岐阜大学 11-m 電波望遠鏡の過去/現在/未来 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 福井工業大10mアンテナを用いたセンチ波観測で展開するサイエンスの検討
  • 招待講演
• [学会発表] Cosmic-ray acceleration in supernova remnants: Impacts on the chemical composition of the surrounding molecular clouds (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: Molecules in Extreme Environments: Near and Far
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Shock-cloud interaction in supernova remnants: the case of W49B (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: XRISM core-to-core Multiwavelength Workshop 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 再結合優勢プラズマを持つ超新星残骸 G346.6-0.2 に付随する星間雲 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊, 鈴木寛大, 信川久実子, Miroslav D. Filipovic, 福井康雄, 守屋尭
  • 学会等名: 日本天文2022年春季年会
• [学会発表] 超新星残骸の多波長観測で探る星間現象 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム2021
• [学会発表] ALMA で探るフィラメント状分子雲の形成機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 新学術領域「星惑星形成」大研究会
• [学会発表] ALMA で探る超新星残骸の物理過程 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: SNR Workshop 2022
• [学会発表] ALMA による超新星残骸 W49B の観測: 宇宙線加速と過電離プラズマの起源 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊, 吉池智史, 山根悠望子, 立原研悟, 福井康雄, 林克洋, 榎谷玲依, 徳田一起, G. Rowell, M. Filipovic
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] ALMA による超新星残骸 W49B の CO 観測: ガンマ線と過電離プラズマの起源の探究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊, 吉池智史, 山根悠望子, 立原研悟, 福井康雄, 林克洋, 榎谷玲依, 徳田一起, G. Rowell, M. Filipovic
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 星間水素の精査を軸とした宇宙線加速源の探究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐野栄俊
  • 学会等名: 連携型博士研究人材総合育成システム 次世代研究者シンポジウム2021
• [学会発表] Interstellar Hydrogen in Gamma-Ray Supernova Remnants as a Key to Understanding the Origin of Cosmic Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: Linking the science of large interferometers in the 2030s
  • 国際学会
• [学会発表] ASTE science I: Supernova Remnants (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: ALMA/45m/ASTE Users Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Interstellar Hydrogen Clouds in Supernova Remnants (2021)
  • 著者名/発表者名: Sano, H.
  • 学会等名: NAOJ Division of Science & CfCA workshop 2021
  • 国際学会
• [備考] 超新星残骸において陽子起源ガンマ線の分離測定に初めて成功
  • URL: https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2021/08/-100.html
• [備考] 超新星残骸において陽子起源ガンマ線の分離測定に初めて成功
  • URL: https://sci.nao.ac.jp/main/highlights/20210823