H.E.S.S.望遠鏡とフェルミ衛星による宇宙線加速機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03722
• 研究機関: 立教大学
• 研究代表者: 内山 泰伸 立教大学, 人工知能科学研究科, 教授 (00435801)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 宇宙線 / 粒子加速 / ガンマ線 / X線 / 超新星残骸 / パルサー星雲 / ガンマ線バースト

研究実績の概要

宇宙線加速機構の解明を目標として、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡と H.E.S.S. 大気チェレンコフ望遠鏡群を組み合わせた GeV から TeV にわたる広範囲のガンマ線観測、およびガンマ線放射天体のX線硬X線観測による研究を推進している。(a) 宇宙線電子・陽電子の加速源として注目されるパルサー星雲、(b) 銀河宇宙線の起源として有力視されている超新星残骸、(c) PeV を超えるエネルギーの宇宙線加速源の候補となる相対論的ジェット、の観測的・理論的研究を進めている。本年度の主要な研究実績は次の通りである。
(1)若い超新星残骸のX線観測データを系統的に解析し、TeV領域における電子加速の効率の進化モデルを検証した。超新星残骸の衝撃波領域における拡散係数の時間依存性や環境依存性を観測的に研究した。("Systematic Study of Acceleration Efficiency in Young Supernova Remnants with Nonthermal X-Ray Observations" The Astrophysical Journal)
(2) 超新星残骸G350.1-0.3のチャンドラ衛星・すざく衛星によるX線観測データを用いて、X線ラインのドップラーシフトやイメージ解析による移動速度の測定を行い、非常に非対称な爆発をしたと推定される超新星の残骸のイジェクタ運動学を詳細に研究した。("On the origin of the asymmetry of the ejecta structure and explosioin of G350.1-0.3" The Astrophysical Journal)
(3) 赤方偏移 z=0.0785 という非常に近傍で発生したガンマ線バースト GRB190829A の残光からの超高エネルギーガンマ線放射の検出に成功し、サイエンス誌に発表した。(H.E.S.S. Collaboration, Science in press)

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

研究実績の概要や研究発表の欄で報告している通り、本年度に多数の学術論文を発表することができたため、順調に進展していると自己評価した。

今後の研究の推進方策

宇宙線電子・陽電子の加速源として注目されるパルサー星雲、銀河宇宙線の起源として有力視されている超新星残骸、PeV を超えるエネルギーの宇宙線加速源の候補となる相対論的ジェット、の観測的・理論的研究についての研究を進める予定であり、今後の研究推進の方針は次の通りである。
(1) これまでの本研究課題での成果で、かに星雲からの GeV ガンマ線フレアをフェルミ衛星によって新たに多数検出することに成功し、フレア領域の物理状態（磁場など）や新しいガンマ線放射モデルを提案することができた。この新モデルの検証を進めるため、より系統的なフレア検出の手法を開発する。
(2) 超新星残骸RXJ1713.7-3946のX線データの解析から、二次電子によるシンクロトロンX線を放射するコンパクトX線を発見できたため、今後は多波長観測のデータから放射機構を検証する。また、2020年度に、若い超新星残骸のX線観測データを系統的に解析し、TeV領域における電子加速の効率の進化モデルを検証したので、今後は同様の系統的な検証をガンマ線観測データを用いて行う。
(3) ガンマ線バースト残光からの超高エネルギーガンマ線放射の検出が実現したことを受け、複数のガンマ線バーストのデータを統合して、放射機構の理論的検討を進める。

研究成果

• [国際共同研究] Max-Planck-Institut fur Kernphysik(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max-Planck-Institut fur Kernphysik
• [国際共同研究] DIAS(アイルランド)
  • 国名: アイルランド
  • 外国機関名: DIAS
• [雑誌論文] Striking similarity in X-rays and Very-High-Energy gamma rays in a Gamma-ray Burst Afterglow (2021)
  • 著者名/発表者名: H.E.S.S. Collaboration
  • 雑誌名: Science 巻: － ページ: －
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] On the origin of the asymmetry of the ejecta structure and explosioin of G350.1-0.3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuchioka, T., Uchiyama, Y., Higurashi, R., Iwasaki, H., Otsuka, S., Yamada, S., Sato, T.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: － ページ: －
  • 査読あり
• [雑誌論文] Automatic Detection of Occulted Hard X-Ray Flares Using Deep-Learning Methods (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shin-nosuke、Matsumura Hideaki、Uchiyama Yasunobu、Glesener Lindsay
  • 雑誌名: Solar Physics 巻: 296 ページ: －
  • DOI: 10.1007/s11207-021-01780-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Systematic Study of Acceleration Efficiency in Young Supernova Remnants with Nonthermal X-Ray Observations (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuji Naomi、Uchiyama Yasunobu、Khangulyan Dmitry、Aharonian Felix
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 907 ページ: 117～117
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abce65
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An extreme particle accelerator in the Galactic plane: HESS J1826-130 (2020)
  • 著者名/発表者名: H.E.S.S. Collaboration、Abdalla H.、Adam R.、Aharonian F. et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 644 ページ: A112～A112
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202038851
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Physical Conditions and Particle Acceleration in the Kiloparsec Jet of Centaurus A (2020)
  • 著者名/発表者名: Sudoh Takahiro、Khangulyan Dmitry、Inoue Yoshiyuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 901 ページ: L27～L27
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abb3fa
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sign of Hard-X-Ray Pulsation from the γ-Ray Binary System LS 5039 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoneda H.、Makishima K.、Enoto T.、Khangulyan D.、Matsumoto T.、Takahashi T.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: －
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.111103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Search for dark matter signals towards a selection of recently detected DES dwarf galaxy satellites of the Milky Way with H.E.S.S. (2020)
  • 著者名/発表者名: H.E.S.S. Collaboration、Abdalla H.、Adam R.、Aharonian F. et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: －
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.102.062001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Hotspots in the Northwest Shell of the Supernova Remnant RX J1713.7-3946 (2020)
  • 著者名/発表者名: Higurashi Ryota、Tsuji Naomi、Uchiyama Yasunobu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 899 ページ: 102～102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9945
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of Small Flares from the Crab Nebula with Fermi-LAT (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa Masanori、Hayashida Masaaki、Khangulyan Dmitry、Uchiyama Yasunobu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 897 ページ: 33～33
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9368
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast-moving pulsars as probes of interstellar medium (2020)
  • 著者名/発表者名: Barkov Maxim V、Lyutikov Maxim、Khangulyan Dmitry
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 497 ページ: 2605～2615
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1601
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A (2020)
  • 著者名/発表者名: H.E.S.S. Collaboration
  • 雑誌名: Nature 巻: 582 ページ: 356～359
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2354-1
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 深層学習VAEによるX線分光観測からの特徴抽出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩崎啓克, 一戸悠人, 内山泰伸
  • 学会等名: 日本天文学会 春季年会
• [学会発表] 超新星残骸の衝撃波におけるX線の熱的放射と非熱的放射の関係 (2020)
  • 著者名/発表者名: 辻 直美, 内山 泰伸, Dmitry Khangulyan, Felix Aharonian
  • 学会等名: 日本天文学会 秋季年会
• [学会発表] 超新星残骸G350.1-0.3におけるイジェクタ速度の測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土岡智也、内山泰伸、山田真也、佐藤寿紀
  • 学会等名: 日本天文学会 秋季年会
• [学会発表] Gamma-Ray Emission from Compact Binary Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Dmitry Khangulyan
  • 学会等名: The 10th International Workshop on Air Shower Detection at High Altitudes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gamma-ray emission from Pulsar Wind Nebulae (2020)
  • 著者名/発表者名: Dmitry Khangulyan
  • 学会等名: Multimessenger High Energy Astrophysics in the era of LHAASO
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On the scales of extension of Pulsar Wind Nebula (2020)
  • 著者名/発表者名: Dmitry Khangulyan
  • 学会等名: Gamma-Ray Halos around Pulsars
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 高エネルギー天文学 内山研究室（立教大学）
  • URL: https://www2.rikkyo.ac.jp/web/y_uchiyama/