鉄輝線精密分光による銀河宇宙線加速の初期機構解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J00548
• 研究機関: 奈良女子大学
• 研究代表者: 信川 久実子 奈良女子大学, 理学部, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2021-03-31
• キーワード: X線天文学 / 銀河面X線放射 / 低エネルギー宇宙線 / 超新星残骸

研究実績の概要

銀河面には個々の天体に分解できない広がった放射(GRXE)が存在している。その最大の特徴は中性および高階電離した鉄からの輝線である、GRXEの起源として激変星(CV)やactive binary(AB)といった星の集まりが有力である。しかし従来のGRXE研究は、中性鉄と高階電離鉄からの輝線を区別せず議論してきた。
我々はすざく衛星を用いて、中性鉄と高階電離鉄からの輝線を分離した上で空間分布(スケールハイト: SH)を精密測定した。その結果 、高階電離鉄のSHはCVやABとほぼ無矛盾だが、中性鉄輝線のSHはCVやABの半分以下であり、むしろ分子雲と近いことを突き止めた。またCV、ABのスペクトルを抽出し、GRXEと比較したところ、星の集まりだけでは、GRXEの中性鉄輝線放射の高々50%しか説明できないことがわかった。MeV帯域宇宙線と分子雲の衝突で出る中性鉄輝線がGRXEに寄与していると考えられる。
銀河宇宙線の加速源として現在最も有力な候補は超新星残骸(SNR)である。ガンマ線観測によって、SNRでGeV陽子が加速されている証拠は見つかっている。宇宙線は低い帯域から徐々にエネルギーを得るので、MeV 陽子も大量に存在するはずだ。しかし、陽子起源と思われる中性鉄輝線がSNRから見つかった例はこれまでわずか2つ(3C391, Kes79)しかない。我々は、SNRにおけるMeV宇宙線の生成量とエネルギー獲得過程を求めるため、系内のSNRでMeV宇宙線起源の中性鉄輝線放射の系統的な探査を開始した。本年度は銀河中心に対して東側の銀河面に位置する4つのSNR(W28, W48, Kes 67, Kes 78)で、MeV宇宙線陽子起源の中性鉄輝線を検出した。またMeV陽子のエネルギー密度は、星間空間でのGeV以上の高エネルギー宇宙線の密度(1 eV/cc)より一桁高いことが分かった。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

分子雲に衝突した陽子は、鉄原子中のK殻電子だけでなく、外殻電子も複数電離する。その結果、中性鉄輝線の幅は10 eV 程度に広がる。一方、電子やX線では輝線幅は広がらない。そこで、従来の観測装置の35倍の分光能力を持つ「ASTRO-H」搭載カロリメータで輝線幅を測定し、陽子起源を確定する計画であった。また「すざく」の4倍の広視野と2倍の鉄輝線感度を持つ「ASTRO-H」搭載X線CCDカメラで中性鉄輝線の広範囲な銀河面強度分布を得る予定だった。しかし2016年2月に打ち上げた「ASTRO-H」は初期機能確認中の異常事象発生のため、同年4月で運用が断念された。そのため「ASTRO-H」によるGRXEや銀河系内SNRの観測は行えなかった。そこで「すざく」の10年分のアーカイブデータを用いて、GRXEの空間分布を測定した。また、GRXEと点源(CV、AB)のスペクトルをそれぞれ抽出し、両者を比較した。その結果、GRXEの中性鉄輝線放射は点源だけでは説明できず、宇宙線の寄与があることを突き止めた。また、「すざく」の銀河系内SNRのデータを用いて中性鉄輝線探査を行い、4つのSNR (W28, W48, Kes 67, Kes 78) からMeV宇宙線陽子起源の可能性が高い中性鉄輝線を発見した。

今後の研究の推進方策

「すざく」のアーカイブに含まれる銀河系内SNRのデータの中から周囲を濃い物質で囲まれたSNRを選び中性鉄輝線探査を拡大する。また硬X線を撮像・分光できる「NuSTAR」のアーカイブデータを用いて中性鉄輝線に付随する連続X線のべきを測定することで、MeV宇宙線のスペクトルを決定する。MeV陽子は、衝撃波加熱された熱的プラズマが加速プロセスへ入る遷移過程にあり、まさに宇宙線の素である。その性質 (エネルギースペクトル、衝撃波との空間相関) から、加速の初期機構を明らかにする。さらに、SNRの年齢や星間物質の分布と比較し、MeV陽子が星間空間へどのように拡散するかを明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Recombining plasma in the remnant of a core-collapsed supernova, Kes 17 (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Washino, H. Uchida, M. Nobukawa, T. G. Tsuru, T. Tanaka, K. K. Nobukawa, K. Koyama
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 ページ: S4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1093/pasj/psv095
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modeling the spectral response for the soft X-ray imager onboard the ASTRO-H satellite (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Inoue, K. Hayashida, S. Katada, H. Nakajima, R. Nagino, N. Anabuki, H. Tsunemi, T. G. Tsuru, T. Tanaka, H. Uchida, M. Nobukawa, K. K. Nobukawa, R. Washino, K. Mori, E. Isoda, M. Sakata, T. Kohmura, K. Tamasawa, S. Tanno, Y. Yoshino, T. Konno, S. Ueda, On behalf of ASTRO-H/SXI team
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 831 ページ: 415-419
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2016.03.071
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scale heights and equivalent widths of the iron K-shell lines in the Galactic diffuse X-ray emission (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Yamauchi, K. K. Nobukawa, M. Nobukawa, H. Uchiyama, K. Koyama
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 ページ: 59
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1093/pasj/psw057
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Origin of the Galactic Diffuse X-ray Emission: Iron K-shell Line Diagnostics (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nobukawa, H. Uchiyama, K. K. Nobukawa, S. Yamauchi, K. Koyama
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 低エネルギー宇宙線で輝くX線の天の川―「すざく」の銀河面観測が明らかにした新事実 (2016)
  • 著者名/発表者名: 信川 久実子
  • 雑誌名: 天文月報 巻: 109 ページ: 773-779
  • オープンアクセス