Ｘ線で探る 中性子星の表面

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Nuclear matter in neutron stars investigated by experiments and astronomical observations
• Project/Area Number: 15H00835
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 牧島 一夫 国立研究開発法人理化学研究所, 宇宙観測実験連携研究グルー プ, グループディレクター (20126163)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 中性子星 / 宇宙Ｘ線 / 質量降着 / 表面 / Rp過程

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、質量降着する中性子星において、表面温度よりずっと高温な硬X線が表面を照射するようなスペクトル状態（いわゆるハード状態）が実現されている際、熱化していないＸ線が中性子星の表面にて反射・散乱されることで生じるスペクトル構造をとらえ、もって中性子星の表面状態を探査することを目的とする。今年度は昨年度に引き続き、トランジェント弱磁場中性子星連星である Aquila X-1がこのハード状態にあるとき、「すざく」衛星で観測されたスペクトルの 30 keV付近に輝線状の盛り上がりがあることに着目した。スペクトルの詳しい定量解析を行った結果、硬X線放射が単一温度の電子雲によるコンプトン散乱で作られているという仮定の下で、この構造は統計的に有意であり、降着円盤など冷たい物質での反射や、降着ガスによる部分吸収を考えても、説明できないことが確認できた。さらにこの構造をモデル化したところ、30 keV付近を中心とするガウシアンでも合わせられるが、自由電子が、約27 keVにエッジをもつ高階電離イオンと再結合する際の放射として、より良くフィットできることがわかった。イオンが水素様であると仮定し、中性子星の標準的な重力レッドシフトを考えると、これは原子番号Z＝48－51、すなわちCdからSbに対応する。そこで以下の斬新なシナリオに到達した。
(1) この種の天体では降着物質が中性子星の表面で「Ｘ線バースト」と呼ばれる爆発的な核融合反応を起こす。
(2)そのさい水素過剰な環境で核融合が進むため、「速い陽子捕獲過程」(Rp過程)が起き、中性子星の表面直下でZ～52までの重元素が多く合成される。
(3)それらの重元素はバーストにより中性子星の大気にまき上げられる。
(4)上空のコロナで生じる硬X線が大気を照射する際、大気中の重元素が光電離し、それらが再結合放射を行うことで 30 keVの構造が生じる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Hard-to-Soft State Transition of Aquila X-1 Observed with Suzaku (2017)
  • Author(s): Ono, K., Makishima, K., Sakurai, S., Zhang, Z., Yamaoka, K. & Nakazawa, K.
  • Journal Title: Publications of Astronomical Society of Japan Volume: 69 Pages: in press
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suzaku Observation of the High-inclination Binary EXO 0748-676 in the Hard State (2016)
  • Author(s): Zhang, Z., Sakurai, S., Makishima, K., Nakazawa, K., Ono, K., Yamada, S., & Xu, H.
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 823 Pages: id.131, 10 pp
  • DOI: 10.3847/0004-637X/823/2/131
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Suzaku observation of the low-mass X-ray binary GS 1826-238 in the hard state (2016)
  • Author(s): Ono, K., Sakurai, S., Zhang, Z., Nakazawa, K., & Makishima, K.
  • Journal Title: Publications of Astronomical Society of Japan Volume: 68 Pages: id.S14, 8 pp
  • DOI: 10.1093/pasj/psw003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 中性子星大気中におけるZ=52 付近の重元素の存在 (2017)
  • Author(s): 窪田恵、玉川徹、牧島一夫、芹野素子、岩切渉、杉崎睦、中野俊男、小野 光
  • Organizer: 日本天文学会2017年春の年会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] Possible Concentration of Elements with Z~60 in the Atmosphere of Mass-Accreting Neutron Stars (2016)
  • Author(s): Makishima,K., Tamagawa, T., Kubota. M., Serino, M., Iwakiri, W.B., Sugizaki,M and Ono, K.
  • Organizer: Nuclear Matter in Neutron Stars Investigated by Experiments and Astronomical Observations
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-23 – 2016-11-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 低質量X線連星系のハード状態スペクトルに見られる速い陽子捕獲反応の痕跡 (2016)
  • Author(s): 玉川徹、牧島一夫、芹野素子、 岩切渉、小野光、窪田恵
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋期大会
  • Place of Presentation: 宮崎大学（宮崎県宮崎市）
  • Year and Date: 2016-09-24 – 2016-09-24