マグネターの 自由歳差運動の観測と内部磁場の推定

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03653
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 牧島 一夫 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 名誉教授 (20126163)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中澤 知洋 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 講師 (50342621)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 中性子星 / マグネター / 自由歳差運動 / 内部磁場 / 宇宙Ｘ線衛星

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、「マグネターと呼ばれる超強磁場をもつ一群の中性子星が、内部に10の16乗ガウスに達する強烈な内部磁場を内包し、その磁気応力でわずかに縦長に変形し、自由歳差運動が起きる結果、硬X線パルスの位相が、パルス周期の１万倍程度の周期で前後に変調される」という、世界初の概念を観測的に検証することを目的としている。2015年度までにはＸ線衛星「すざく」のデータを用いて、4U 0142+61および1E 1547-54と呼ばれる２つのマグネターから、この効果を検出することに成功した。
今年度はおもに、 (A)「すざく」のデータを用い、新規のの検出例を探査すること、 (B)硬X線帯域に優れた感度をもつ米国NuSTAR衛星の公開データを用い、「すざく」の結果の追検証を進めること、という２つの方向で研究を進めた。その結果(A)については、昨年度に解析に着手した 1RXS J1708-40の「すざく」データを用いから、周期35 ksec 程度に位相変調の徴候を得た。(B)については、4U 0142+01のNuSTARデータを解析した結果、変調振幅は「すざく」で得たものよりずっと小さいものの、やはり周期 55 ksec でのパルス位相変調が存在することを確認することができた。これにより、この変調効果は「すざく」に特有な「見せかけの効果」ではなく、天体に内在する現象であることが明らかになり、研究に大きな進展が得られた。さらに連星Ｘ線パルサーの自転周期の変化率と降着トルクの間の理論的関係式(Ghosh and Lamb 1979) を、全天Ｘ線監視装置 MAXI のデータなどで較正した結果、X Perseiなど一群の長周期パルサーが、マグネターに匹敵する10の14乗ガウスの双極子磁場をもつという可能性を突き止めた。これは歳差運動の検出と並んで、マグネターの磁気進化に対する新しい知見と言える。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の目的の１つであった、ASTRO-H衛星による高感度観測は、残念ながら実施できなかった。これは同衛星が2016年2月17日に打ち上げられ「ひとみ」と命名されたのち、3月26日に姿勢制御系の不具合で衛星としての機能を喪失してしまったためである。他方、X Perseiなど長周期の連星Ｘ線パルサーがマグネター並の強磁場を持つという示唆は、当初の予想を越える成果と自負する。これらプラスとマイナスを勘案し、また他の項目については、ほぼ予定どおり研究が進展していることを考えると、「おおむね順調」と自己評価できる。総じて、マグネターの自由歳差運動という新概念をより確実なものにし、マグネターの磁気進化の実相に迫ることに成功したと考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、以下の方針で研究を進める。(a) NuSTARによる4U 0142+61 の観測結果をまとめ、論文を執筆する。(b) 軸対称に変形した中性子星からの放射を数値モデル化し、それを用いて4U 0142+61や1E 1547-54の「すざく」データを再解析し、モデルのパラメータを絞り込むことで、変形の程度、放射の異方性などを理解する。 (c)2016年度までの成果を受けて、1RXS J1708-40の位相変調が本物であるかどうか、決着をつける。 (d) NuSTARに我々自身で観測提案して獲得した、1E1547-54のデータ解析を進め、「すざく」で検出された 36 ksec 周期での変調を追検証する。 (e) 長周期の連星Ｘ線パルサーの正体をさらに究明し、それらとマグネターとの関係を、磁気進化の観点から理解することを試みる。

Research Products

• [Journal Article] Possible regular phenomena in EXO 2030+375 (2017)
  • Author(s): Laplace, E., Mihara, T., Moritani, Y., Nakajima, M., Takagi, T., Makishima, & K., Santangelo, A.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 597 Pages: id A124, 9 pp
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201629373
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evidence for a 36 ks phase modulation in the hard X-ray pulses from the magnetar 1E 1547.0-5408 (2016)
  • Author(s): Makishima, K., Enoto, T., Murakami, H., Furuta, Y., Nakano, T., Sasano, M., & Nakazawa, K.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 68, SP1 Pages: id.S12, 18 pp
  • DOI: 10.1093/pasj/psv097
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of the Ghosh & Lamb relation to the spin-up/down behavior in the X-ray binary pulsar 4U 1626-67 (2016)
  • Author(s): Takagi, T., Mihara, T., Sugizaki, M., Makishima, K., & Morii, M.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 68, SP1 Pages: id.S13, 14 pp
  • DOI: 10.1093/pasj/psw010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray studies of neutron stars and their magnetic fields (2016)
  • Author(s): Makishima,K.
  • Journal Title: Proceedings of the Japan Academy, Ser. B Volume: 92 Pages: 135, 155
  • DOI: 10.2183/pjab.92.135
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of the Ghosh & Lamb Relation to the Spin-up/down Behavior in the X-ray Binary Pulsar 4U 1626-67 (2016)
  • Author(s): Takagi, T., Mihara, T., Sugizaki, M., Makishima, K., & Morii, M.
  • Journal Title: Proc. the 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos / JPS Conf.Proc. Volume: 14 Pages: id.020301, 3 pp
  • DOI: 10.7566/JPSCP.14.020301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 長周期の連星X線パルサーは 10^{13} Gの超強磁場をもつか? (2017)
  • Author(s): 牧島一夫、高木利紘、三原建弘、杉崎睦、谷田部史尭、笹野理、中島基樹、中澤知洋
  • Organizer: 日本物理学会2017年春季年会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 長周期Ｘ線パルサーX Persei が> 10^{13} G の超強磁場をもつ可能性 (2017)
  • Author(s): 牧島一夫、高木利紘、三原建弘、杉崎睦、谷田部史尭、笹野理、中澤知洋、中島基樹
  • Organizer: 日本天文学会2017年春季年会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス(福岡県福岡市)
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-16
• [Presentation] マグネター 4U 0142+61 の自由歳差運動： NuSTAR データによる検証 (2016)
  • Author(s): 牧島一夫、榎戸輝揚、村上浩章、中澤知洋
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 宮崎大学（宮崎県宮崎市）
  • Year and Date: 2016-09-24 – 2016-09-24
• [Presentation] マグネターの自由歳差運動 (2016)
  • Author(s): 牧島一夫
  • Organizer: 蔵王中性子星研究会
  • Place of Presentation: 蔵王温泉（山形県山形市）
  • Year and Date: 2016-09-08 – 2016-09-08
• [Presentation] RECENT X-RAY RESULTS ON MAGNETARS (Poster) (2016)
  • Author(s): Makishima,K., Enoto, T., Nakano. T., Murakami, H., Furuta, Y., Nakazawa, K. & Nakagawam Y.E.
  • Organizer: 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2016-06-20 – 2016-06-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A new approach to observe toroidal magnetic fields of magnetars (2016)
  • Author(s): Murakami, H., Makishima, K., Enoto , T., Nakano, T., & Nakazawa, K.
  • Organizer: XMM-Newton: The Next Decade
  • Place of Presentation: European Space Astronomy Center (Madrid, Spain)
  • Year and Date: 2016-05-09 – 2016-05-11
  • Int'l Joint Research