Ｘ線偏光測定による宇宙ジェットのエネルギー源の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03902
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 北口 貴雄 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (30620679)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: X線 / 偏光 / 科学衛星 / 宇宙 / 天体 / 宇宙ジェット / 機械学習 / ブラックホール

研究実績の概要

本研究は、Ｘ線偏光という新手法を用いて、これまで不定だった天体の物理量を測ることを目的とする。この IXPE プロジェクトは主に米伊日による国際共同で進められ、Ｘ線偏光計はイタリアが、それを搭載する衛星およびＸ線望遠鏡はアメリカが開発し、日本からは要となる増幅器を提供することで貢献した。衛星製作は、COVID-19の影響はあったものの最小限の遅れにとどまり、Ｘ線偏光計を載せたIXPE衛星は 2021 年末に地球低周回軌道に打ち上がった。
本研究の最終年度では、IXPE衛星が観測した天体データを解析して、科学成果を出すことを行った。特に系内ブラックホール連星系でもっとも明るいCygnus X-1を約１週間観測したところ、X線は４％ほど直線偏光していて、その電場方向が電波で輝く宇宙ジェットの向きと揃っていることが初めてわかった。この観測結果を説明するには、X線はジェットと垂直な方向に拡がったプラズマから放たれ、それが降着円盤で散乱して、円盤を横から見ている我々まで届いたと考えられ、今まで解けなかったブラックホール近辺のプラズマの幾何情報を明らかにすることができた。これらの結果は、共著者として査読付き論文にまとめて学術雑誌に掲載し、日本語のプレスリリースも行った。
上記の通り、X線偏光による天体観測を実現し、その有効性を実証できた。しかし観測中、Cygnus X-1は円盤の最内縁がブラックホールから離れたLow/hard状態にあり、ブラックホールのスピンを測定することには適していなかった。そのため、当初の目的であるブラックホールスピンと宇宙ジェットとの相関を取ることは、達成できなかった。今後は、スピン測定が期待できるHigh/Soft状態に移った時に、改めてCygnus X-1や円盤をほぼ真横から見ているGRS 1915+105の観測を行う予定である。

研究成果

• [国際共同研究] INAF-Pisa(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INAF-Pisa
• [国際共同研究] ワシントン大学セントルイス(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ワシントン大学セントルイス
• [雑誌論文] Simultaneous space and phase resolved X-ray polarimetry of the Crab pulsar and nebula (2023)
  • 著者名/発表者名: Bucciantini Niccolo;、(6名省略)、Kitaguchi Takao、(93名省略)
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01936-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] IXPE Observations of the Quintessential Wind-accreting X-Ray Pulsar Vela X-1 (2023)
  • 著者名/発表者名: Forsblom Sofia V.、(50名省略)、Kitaguchi Takao、(49名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 947 ページ: L20～L20
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acc391
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The design and performance of the XL-Calibur anticoincidence shield (2023)
  • 著者名/発表者名: Iyer N.K.、(13名省略)、Kitaguchi T.、(19名省略)
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1048 ページ: 167975～167975
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167975
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The IXPE View of GRB 221009A (2023)
  • 著者名/発表者名: Negro Michela、(78名省略)、Kitaguchi Takao、(32名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 946 ページ: L21～L21
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acba17
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Polarimetry Reveals the Magnetic-field Topology on Sub-parsec Scales in Tycho’s Supernova Remnant (2023)
  • 著者名/発表者名: Ferrazzoli Riccardo、(54名省略)、Kitaguchi Takao、(44名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 945 ページ: 52～52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acb496
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Strong X-Ray Polarization Signal from the Magnetar 1RXS J170849.0-400910 (2023)
  • 著者名/発表者名: Zane Silvia、(21名省略)、Kitaguchi Takao、(79名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 944 ページ: L27～L27
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acb703
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization Properties of the Weakly Magnetized Neutron Star X-Ray Binary GS 1826-238 in the High Soft State (2023)
  • 著者名/発表者名: Capitanio Fiamma、(48名省略)、Kitaguchi Takao、(47名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 943 ページ: 129～129
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acae88
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Accretion geometry of the neutron star low mass X-ray binary Cyg X-2 from X-ray polarization measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Farinelli R、(45名省略)、Kitaguchi T、(48名省略)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 519 ページ: 3681～3690
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3726
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mapping the circumnuclear regions of the Circinus galaxy with the Imaging X-ray Polarimetry Explorer (2022)
  • 著者名/発表者名: Ursini F、(55名省略)、Kitaguchi Takao、(40名省略)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 519 ページ: 50～58
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3189
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Polarization Observations of BL Lacertae (2022)
  • 著者名/発表者名: Middei Riccardo、(102名省略)、Kitaguchi Takao、(43名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 942 ページ: L10～L10
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aca281
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vela pulsar wind nebula X-rays are polarized to near the synchrotron limit (2022)
  • 著者名/発表者名: Xie Fei、(48名省略)、Kitaguchi Takao、(43名省略)
  • 雑誌名: Nature 巻: 612 ページ: 658～660
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05476-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Determination of X-ray pulsar geometry with IXPE polarimetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Doroshenko Victor、(50名省略)、Kitaguchi Takao、(42名省略)
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 6 ページ: 1433～1443
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01799-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The X-Ray Polarimetry View of the Accreting Pulsar Cen X-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsygankov Sergey S.、(50名省略)、Kitaguchi Takao、(46名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 941 ページ: L14～L14
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aca486
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized x-rays constrain the disk-jet geometry in the black hole x-ray binary Cygnus X-1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Krawczynski Henric、(11名省略)、Kitaguchi Takao、(101名省略)
  • 雑誌名: Science 巻: 378 ページ: 650～654
  • DOI: 10.1126/science.add5399
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized x-rays from a magnetar (2022)
  • 著者名/発表者名: Taverna Roberto、(53名省略)、Kitaguchi Takao、(41名省略)
  • 雑誌名: Science 巻: 378 ページ: 646～650
  • DOI: 10.1126/science.add0080
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks (2022)
  • 著者名/発表者名: Liodakis Ioannis、(88名省略)、Kitaguchi Takao、(38名省略)
  • 雑誌名: Nature 巻: 611 ページ: 677～681
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05338-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization constraints on the X-ray corona in Seyfert Galaxies: MCG-05-23-16 (2022)
  • 著者名/発表者名: Marinucci A、(55名省略)、Kitaguchi Takao、(43名省略)
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 516 ページ: 5907～5913
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2634
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observations of 4U 1626-67 with the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • 著者名/発表者名: Marshall Herman L.、(42名省略)、Kitaguchi Takao、(50名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 940 ページ: 70～70
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac98c2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The X-Ray Polarization View of Mrk 421 in an Average Flux State as Observed by the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • 著者名/発表者名: Di Gesu Laura、(56名省略)、Kitaguchi Takao、(45名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 938 ページ: L7～L7
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac913a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Polarization Detection of Cassiopeia A with IXPE (2022)
  • 著者名/発表者名: Vink Jacco、(62名省略)、Kitaguchi Takao、(31名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 938 ページ: 40～40
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8b7b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance of the X-Calibur hard X-ray polarimetry mission during its 2018/19 long-duration balloon flight (2022)
  • 著者名/発表者名: Abarr Q.、(14名省略)、Kitaguchi Takao、(15名省略)
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 143 ページ: 102749～102749
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2022.102749
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical performance of the x-ray telescope for the XL-Calibur experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamogawa Wataru、(24名省略)、Kitaguchi Takao、(29名省略)
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 12181 ページ: 1218171
  • DOI: 10.1117/12.2626537
  • 国際共著
• [雑誌論文] Limits on X-Ray Polarization at the Core of Centaurus A as Observed with the Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (2022)
  • 著者名/発表者名: Ehlert Steven R.、(50名省略)、Kitaguchi Takao、(46名省略)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 935 ページ: 116～116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 超小型Ｘ線衛星 NinjaSat に搭載するガスＸ線検出器のオンボード信号処理 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北口貴雄ほか
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] 超小型X線衛星 NinjaSat の開発進捗 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北口貴雄ほか
  • 学会等名: 日本物理学会
• [備考] プレスリリース：ブラックホールからX線の偏光を初観測
  • URL: https://www.riken.jp/press/2022/20221125_1/index.html