太陽フレアにおける長時間ガンマ線放射の起源と陽子加速機構の解明

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24840031
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 田中 康之 広島大学, 宇宙科学センター, 特任助教 (90633941)
• 研究期間 (年度): 2012-08-31 – 2014-03-31
• キーワード: 太陽フレア / ガンマ線

研究概要

太陽フレアとは、太陽表面で発生する爆発的な増光現象のことであり、電波からガンマ線のすべての波長で電磁波強度が急激に増加する。その継続時間は、波長に依存するものの概ね数10分程度であることが知られていた。一方、フェルミガンマ線望遠鏡は、太陽からのガンマ線放射が数時間も継続するイベントを検出しており、放射が長時間持続するメカニズムや、MeV/GeVガンマ線を放射しうるような粒子加速メカニズムを明らかにすることを目的として本研究を行った。
本年度は、この太陽フレアに付随する長時間MeV/GeVガンマ線放射について、これまでに観測されているすべてのイベントのフェルミデータの解析を行った。ガンマ線スペクトルは数100 MeVのエネルギー領域でバンプ構造を示しており、パイオン崩壊起源のガンマ線であることを明らかにした。パイオンは、加速された高エネルギー陽子と太陽大気との相互作用によって生成されるため、電子ではなく陽子がGeV程度の高エネルギーにまで加速されていることを示す。また、LAT検出器の優れた角度分解能を生かして、ガンマ線の放射位置は活動領域近傍に存在することを見出した。これは、活動領域の乱流によって、粒子がGeV領域まで加速されていることを示唆する。一方、MeV/GeVガンマ線放射が観測された太陽フレアの多くに、高速の質量放出 (Coronal mass ejection)が付随していることを見出した。これは、質量放出の前面にできる衝撃波によって、粒子が加速されている可能性を示すものである。それゆえ、加速メカニズムとしては、これら2つのメカニズムに絞る事ができたと言える。

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

計画段階では、2012年度中にフェルミ衛星のデータ解析を終了し、ガンマ線放射機構や太陽面上におけるガンマ線放射位置、ガンマ線を放射し得る高エネルギー粒子の加速メカニズムを明らかにすることを目標としていた。
これらのテーマのうち、ガンマ線放射機構と位置については、上に述べたように解明することができた。また粒子加速メカニズムについては、これまで全くの未解明であったが、乱流加速と質量放出(CME)前面にできる衝撃波による加速の2つに絞ることができた。
これらの結果は、研究代表者が、corresponding authorとしてフェルミチームをリードし、データ解析と結果の理論的解釈を迅速に行った結果である。また、それらをまとめた論文を3月末にAstrophysical Journalに投稿することができた。このように、当初の予定通り研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

2年目となる2013年度は、2つに絞られた加速機構のうちどちらが実際に作用しているかを決定することを目指す。そのため、研究計画でも述べたように、惑星間空間において計測されているプラズマデータや多波長電磁波データとの比較を行う。後者については、主に電波領域のデータを解析することを予定している。
惑星間空間では、プラズマ計測器により高エネルギー陽子フラックスが常時計測されている。それらと、ガンマ線スペクトルから推定される陽子スペクトルを比較し、その概形やフラックスが一致するかを調べる。また、電波観測では加速された電子についての情報が得られるため、電子陽子数比を見積もることが可能になる。このようなパラメータをサーベイすることによって、加速機構を決定することを目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Fermi-LAT and Suzaku observations of the radio galaxy Centaurus B (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsuta J, Tanaka Y T, Stawarz L, O'Sullivan S P, Cheung C C, Kataoka J, Funk S, Yuasa T, Odaka H, Takahashi T, and Svoboda J
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 550 ページ: 66-76
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201220270
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Study of the Long-Term Spectral Variations of 3C 66A Observed with the Fermi and Kanata Telescopes (2013)
  • 著者名/発表者名: Itoh Ryosuke, et al. (including Yasuyuki Tanaka)
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 65 ページ: 18-26
  • DOI: 10.1093/pasj/65.1.18
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant Lobes of Centaurus A Radio Galaxy Observed with the Suzaku X-Ray Satellite (2013)
  • 著者名/発表者名: Stawarz L, Tanaka Y T, Madejski G, O'Sullivan S P, Cheung C C, Feain I J, Fukazawa Y, Gandhi P, Hardcastle M J, Kataoka J, Ostrowski M, et al.
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 766 ページ: 48-66
  • DOI: 10.1088/0004-637X/766/1/48
  • 査読あり
• [雑誌論文] Very Rapid High-amplitude Gamma-Ray Variability in Luminous Blazar PKS 1510-089 Studied with Fermi-LAT (2013)
  • 著者名/発表者名: Saito S, Stawarz L, Tanaka Y T, Takahashi T, Madejski G, and D'Ammando F
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letters 巻: 766 ページ: L11-L16
  • DOI: 10.1088/2041-8205/766/1/L11
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of a gamma ray flare on Schumann resonances (2012)
  • 著者名/発表者名: Nickolaenko A P, Kudintseva I G, Pechony O, Hayakawa M, Hobara Y, and Tanaka Y T
  • 雑誌名: Annales Geophysicae 巻: 30 ページ: 1321-1329
  • DOI: 10.5194/angeo-30-1321-2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suzaku X-Ray Imaging of the Extended Lobe in the Giant Radio Galaxy NGC 6251 Associated with the Fermi-LAT Source 2FGL J1629.4+8236 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Y, Kataoka J, Stawarz L, Takahashi Y, Maeda K, Nakamori T, Cheung C C, Celotti A, Tanaka Y, and Takahashi T
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 749 ページ: 66-73
  • DOI: 10.1088/0004-637X/749/1/66
  • 査読あり
• [雑誌論文] Subaru Constraint on Circular Polarization in I-Band Emission from the Magnetar 4U 0142+61 (2012)
  • 著者名/発表者名: Wang Zhongxiang, Tanaka Yasuyuki T, and Zhong Jing
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 64 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1093/pasj/64.2.L1
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-Ray Investigation of the Diffuse Emission around Plausible γ-Ray Emitting Pulsar Wind Nebulae in Kookaburra Region (2012)
  • 著者名/発表者名: Kishishita, Tetsuichi; Bamba, Aya; Uchiyama, Yasunobu; Tanaka, Yasuyuki; Takahashi, Tadayuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 750 ページ: 162-169
  • DOI: 10.1088/0004-637X/750/2/162
  • 査読あり
• [学会発表] すざく衛星によるCentaurus A電波ローブのX線観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中康之
  • 学会等名: 日本物理学会春季年会
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 20130326-29
• [学会発表] すざく、フェルミによるExtreme Blazar 候補 HESS J1943+213のX線ガンマ線観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中康之他
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
  • 発表場所: 埼玉大学
  • 年月日: 20130320-20130323
• [学会発表] フェルミ衛星によるMeV/GeV領域の太陽フレア観測と多波長連携で切り拓くサイエンス (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中康之
  • 学会等名: 活動極大期の太陽研究、そして新たな太陽研究への布石
  • 発表場所: 立教大学
  • 年月日: 20130220-22
  • 招待講演
• [学会発表] すざく衛星によるCentaurus A 電波ローブのx線観測：リコネクションによる粒子加速の可能性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中康之他
  • 学会等名: 磁気リコネクション研究の現状と展望２
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 20130203-20130205
• [学会発表] マグネターの可視近赤外線観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中康之
  • 学会等名: 宇宙線研小研究会「パルサー磁気圏における粒子加速と電磁放射」
  • 発表場所: 東京大学宇宙線研究所
  • 年月日: 2013-03-12
• [学会発表] Fermi and Suzaku observations of candidate extreme blazar HESS J1943+213 (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. T. Tanaka et al.
  • 学会等名: Fermi Symposium 2012
  • 発表場所: Montreley, USA
  • 年月日: 20121028-20121102
• [学会発表] Fermi-LAT detection of longlasting MeV/GeV emissions associated with M-class/X-class solar flares (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Tanaka on behalf of Fermi-LAT collaboration
  • 学会等名: 2012 JSI Workshop Nature’s Particle Acceleration
  • 発表場所: Annapolis, USA
  • 年月日: 20121022-20121025
• [学会発表] Fermi-LAT observation of long-lasting gamma-ray emissions associated with solar flares (2012)
  • 著者名/発表者名: 田中康之他
  • 学会等名: ALMA 太陽観測ワークショップ
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 20121003-20121003
• [学会発表] フェルミ衛星によるMeV/GeV 領域におけるトランジェント現象の観測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 田中康之他
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
  • 発表場所: 大分大学
  • 年月日: 20120919-20120921
  • 招待講演
• [備考] 太陽フレアに伴う１億電子ボルトもの高エネルギーガンマ線の長時間放射を検出
  • URL: http://www-heaf.hepl.hiroshima-u.ac.jp/glast/120613press/120613press.html