2018/12/25-26第9回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ

パルサー・突発天体の電波観測—日本の現状
寺澤敏夫
天文台・早稲田大・東大宇宙線研
１ 突発天体：電波観測に関係した最近の話題→FRB（fast radio bursts) … 宇宙論的(?)電波源からのsingle pulse→12月、マグネターXTE1810-197のX線・電波再増光（ATEL#12284､#12291､…)３
FRBの正体は依然不明だが、有力なモデルとして、若いマグネターからの巨大電波パルス（Giant radio pulses)説がある。
巨大電波パルス（Giant radio pulses)はこれまで20個程度の電波２パルサーに見出されているが、こちらも輻射機構などは不明。しかし、最も有名なパルサーの1つであるCrabパルサーがGRPを放出することで知られている。

FRB(Fast Radio Burst)の発見(Lorimer et al., 2007, Science)
星間空間プラズマ内伝搬に伴う群遅延TOA∝周波数逆二乗の遅延
Dispersion measure←DM～375 pc cm-3

DM～375 pc cm-3 は銀河系内の電波源と考えるには高すぎる。
Dispersion Measure (DM) ≡ column density (cm-2)

1pc cm-3 ～ 3×1018 cm-2

FRBのDMはパルサーのDMの銀河緯度依存性とははっきり違う

パルサー

Bailes (2017)

Dispersion Measure (DM) ≡ column density (cm-2)

銀河緯度
1pc cm-3 ～ 3×1018 cm-2

先駆的業績： 宇宙論的DM （左：井岡 2003、 右：井上 2004）

DM～1000 pc cm-3 のFRB → 赤方変偏移 z~1
宇宙論的距離にある遠隔天体の可能性が示唆される。
これまでに報告された30数個のFRBのうち、1つだけは繰り返し観測され、VLBI観測にも成功→母銀河同定：実際z~0.2(972Mpc)であった。
（2月の補足： 最近、カナダのCHIME(後述)により2個目の繰り返しFRBが見つかった。
→CHIME/FRB Collaboration, Nature 9 Jan 2019; arXiv:1901.04525）

FRB 121102

All 11 FRBs from the same sky
location having the same DM~558
周波数逆二乗に比例した群遅延は補正済

FRB 121102

5 Jan 2017→ arcsec uncertainty

FRB 121102

10 Jan 2017

4 crosses (red and gray) show the positions of 4 bursts
A black cross shows their average.

European VLBI network (EVN)
http://www.evlbi.org/intro/evn_map.png

Persistent at 1.7GHz: white contours
Persistent at 5GHz: color scale→ milliarcsec uncertainty

10 Jan 2017
FRB 121102 In addition to the repeating FRBs, a persistent
counterpart is found (radio & optical).
Circles: Arecibo uncertainty (3’)
Squar: VLA uncertainty (20”)

repeating FRBs

persistent radio component

Gemini r-band image

VLA spectrum of the persistent
counterpart to FRB121102.
The spectrum is non-thermal andinconsistent with a single power law.

FRB 121102

Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) atop Mauna Kea

10 Jan 2017

After the identification of the host galaxy,
it spectral property as well as z is determined.

The host galaxy turns out to be a dwarf,
star-forming galaxy of (4-7)x107 Msun at
z=0.19273 (972Mpc)+

一挙にFRB20個追加 (合計約50個）

ASKAP: Australian SKA Pathfinder

ASKAP: 新たに20個のFRBを観測（TOAの周波数逆二乗遅延は補正済）

FRB 距離・fluence関係
エネルギー一定の曲線（この線は1034erg/Hz)

fluence

total energy<1034erg/Hz×1GHz<～1043erg
c.f.
SN~1051erg
quasar~1047erg/s
観測
●●●●●

ASKAP
UTMOST
ParkesGreen Bank
repeating FRBDM(∝距離と仮定）

FRB: 日本からの寄与？
日本でavailableなアンテナは、１つ１つは国際的にみれば中型以下だが、多数を組み合わせることにより、展望が開けるのではないだろうか。
VERAシステム 20m鏡4台（通常22GHz､43GHz）

ASKAP: Australian SKA Pathfinder

本間さんを中心にFRB探査計画の企画中2019にテスト観測開始の予定（2GHz帯受信機整備）（データ処理体制、通報体制の整備が急務）

Crab nebulaとパルサー（左：すばる光学観測、右：Chandra X線観測）FRB and Crab pulsar’s pulse
FRB “Lorimer burst”(Lorimer et al., 2007, Science)

Crab pulsar’s GRP、観測：名大豊川observatory
at 327±10MHz (2017)

1.5GHz

1.4GHz1.3GHz350ms

DM～56.8 pc cm-3
1秒間

↑DM～375 pc cm-3

Crabパルサーの周期は約33msなので、上の1秒間には30個のパルスがあるはずだが、見えているのは1つだけである。
→巨大電波パルス（Giant Radio Pulse=GRP)と呼ばれる（それ以外の普通のパルスはCrab nebulaのノイズに埋もれている）

Dispersion Measure (DM) ≡ column density (cm-2)

1pc cm-3 ～ 3×1018 cm-2

Radiation from shock-accelerated relativistic electrons in the Crab nebula
Radiation from e+/e- accelerated within the pulsar’s magnetosphere
Radio

IR

opticalXγ

HE/VHE γ

Crab3~4 order difference↑このため、電波の平均的パルスはnebula成分によりマスクされてしまう。平均的パルス成分の検出には数十分程度の時間積分が必要

Nebula component
Pulsar component
パルス成分は時間平均した強度

Radiation from shock-accelerated relativistic electrons in the Crab nebula
Radiation from e+/e- accelerated within the pulsar’s magnetosphereRadioIR

opticalXγ

HE/VHE γ

CrabGRP
3~4 order difference↑このため、電波の平均的パルスはnebula成分によりマスクされてしまう。平均的パルス成分の検出には数十分程度の時間積分が必要

Nebula component
Pulsar component
パルス成分は時間平均した強度

Brightness temperature（Pietka+ 2015)
1036 K 1032 K

FRBとGRPの類似性
は表面的なものだけではなく物理的なものである可能性

size *(r/c)GHz*sassumption [characteristic time scale] = size/c

1012 Kパルサー電波の周波数依存性
パルサー観測には数百MHｚ～数GHｚが適しており、それ以上では周波数とともに急激に強度が低下→野辺山45m鏡は高周波数に限られる(40GHz以上）。ALMAも同様。
→日本国内の30m超アンテナで1.4GHz(21cm)帯の観測が可能なのは臼田64m鏡と鹿島34m鏡に限られる。
(300MHz帯なら、東北大飯館と名大豊川がある）。

Crabパルサー(平均パルス強度）

f-3.11.4GHz(21cm)

Crab campaign 2014 Sept

32m

64m

20m

飯館

31m×16.5m×2面

高萩8GHzも32m34m

Crab pulsar
2014/09/07
01:32:4951UTC

80ms

Mikami+ 2016
見つけたGRPの１つ。
←周波数逆二乗に比例した群遅延あり（DM～56.78）

2.2GHz帯
臼田

6GHz､8GHzではS/Nが悪く、こられと同様には示せないが、群遅延補正を施すとパルスの存在が見えてくる

1.7GHz帯
鹿島
1.6GHz帯

0.3GHz帯

鹿島

飯館
Mikami+2016

GRP #2677

Crab pulsar
A GRP observed in all
frequency bands between
325MHz and 8.4GHz
2016現在で報告された最も広帯域のMP GRPの例となった。（Mikami+2016)
この例では周波数スペクトルはほぼべき型である。
GRP数百個の解析→「約半分がべき型、そうでないものが残り半分」
三上諒東京大学博士論文（2016.3)
ApJ 832:212 (25pp) 2016 Dec↑Crabパルサー電波観測について、日本からの初めての寄与(2009観測開始以来7年を要した）

Iitate/P
325MHz-2.23

Spectral index -2.2
Kashima/L
Usuda/S
2.3GHzTakahagi/C
6.7GHzUsuda/X
8.4GHzFrequency [MHz]Mikami+2016

Radiation from shock-accelerated relativistic electrons in the Crab nebula
Radiation from e+/e- accelerated within the pulsar’s magnetosphereRadioIR

opticalXγ

HE/VHE γ

Craboptical, Xとcomparable

GRP
3~4 order difference↑このため、電波の平均的パルスはnebula成分によりマスクされてしまう。平均的パルス成分の検出には数十分程度の時間積分が必要

Nebula component
Pulsar component

電波はcoherent radiation
パルス成分は時間平均した強度
opt～X,γはincoherent synchrotron/curvature radiationと、輻射過程は別のものと思われており、相関は必ずしも期待されていなかった。

GRPと他波長光子の相関上限のみ

γX

opt

検出！

Hitomi 2016/3/25の観測結果（悲劇的事故前日）
Terada et al., PASJ （2018）

2017からISS上で観測を開始したX線観測装置、NICERにより相関上限を下げ、あわよくば検出を狙う (2017.8～進行中）

opt領域で数パーセントの相関あり←木曽Tomo-e Gozenで追観測中（GRPと同時の光学パルスは数パーセント明るい）2018/12/25-26第9回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ

パルサー・突発天体の電波観測—日本の現状
寺澤敏夫
天文台・早稲田大・東大宇宙線研
１ 突発天体：電波観測に関係した最近の話題→FRB（fast radio bursts) … 宇宙論的(?)電波源からのsingle pulse→12月、マグネターXTE1810-197のX線・電波再増光（ATEL#12284､#12297､…)３FRBの正体は依然不明だが、有力なモデルとして、若いマグネターからの巨大電波パルス（Giant radio pulses)説がある。
巨大電波パルス（Giant radio pulses)はこれまで20個程度の電波
２パルサーに見出されているが、こちらも輻射機構などは不明。しかし、最も有名なパルサーの1つであるCrabパルサーがGRPを放出することで知られている。

“Pulsar Zoo”

http://www.isas.jaxa.jp/feature/forefront/180618.html

Crab pulsar
P=0.0337 s
B=4e12 G
τ=1e3 yr
Edot=4e38 erg/s

XTEJ1810-197

P=5.54 s
B=1.27e14 G
τ=3.1e4 yrEdot=6.6e32 erg/s

XTE 1810-197
・電波パルスが初めて検出されたマグネター(現在は4天体から電波パルスが検出)
・X線のアウトバーストと同時に検出
・0.3-144GHzで検出 (>20GHzで、過去一番明るいパルサーとなった)・2009年以降は検出できなくなった

電波の光度曲線
Camilo+ 16

上限のみ2018.12.8～に再び電波とX線で活動(ATel 12284, 12285, 12288, 12297,…)

2018.12.18 マグネターXTE 1810-197
TOO観測が実現
VERA+大学連携

飯館（325MHz)
茨城(6,8GHz)

VERA4局(水沢、入来、小笠原、石垣)
22GHz

現在、データ到着待ち

2018.12.18 マグネターXTE 1810-197
18日に先立って14日に飯館、茨城、鹿島で予備観測実施

飯館（325MHz)
茨城(6,8GHz)

鹿島(2GHz)

茨城の結果が昨日得られた。

VERA4局(水沢、入来、小笠原、石垣)
22GHz

Individual pulseの一例 (24:17:21)

茨城高萩局8GHz

Power

00:17:20

時間
この部分を拡大して示す

00:17:21

Individual pulseの一例 (24:17:21)

茨城高萩局8GHz

群遅延補正なし

50ms
dynamic spectrum

8704
↑
周波数

群遅延補正なし

8192
DM～178に対応した周波数依存性をもつ群遅延(1.3ms)

Individual pulseの一例 (24:17:21)

茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり DM=178

50ms
dynamic spectrum

8704
↑
周波数

群遅延補正なし

8192
DM～178に対応した周波数依存性をもつ群遅延(1.3ms)

茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり
DM=178

マグネターの自転周期5.541428624sで折り返したところ、パルスの整列が見出された。下図では整列の中心を位相=0として図示してある。

↑RFI（Radio Frequency Interference）
人工電波混信茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり
DM=178

マグネターの自転周期5.54100000sと間違えると：↑RFI（Radio Frequency Interference）
人工電波混信茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり
DM=178

マグネターの自転周期5.542000000sなら：↑RFI（Radio Frequency Interference）
人工電波混信茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり
DM=178

マグネターの自転周期5.541428624sで折り返したところ、パルスの整列が見出された。下図では整列の中心を位相=0として図示してある。

↑RFI（Radio Frequency Interference）
人工電波混信茨城高萩局8GHz

群遅延補正あり
DM=178

マグネターの自転周期5.541428624sで折り返したところ、パルスの整列が見出された。下図では整列の中心を位相=0として図示してある。

↑
まだ解析を始めたばかりであり、日本の観測がどのくらいRFI寄与できるか未知数であるが、なんとか世界水準に達した（Radio Frequency Interference）
いものである。
人工電波混信付録
日本の低周波アンテナ

日本で一番開口面積の大きい電波望遠鏡は？

臼田64mか？

Jaxa Usuda Observatory
64m parabolla antenna
Aperture: 3217m2
1.4, 2.3, 6.7, 8 GHz

臼田64m

八ヶ岳

野辺山45m~10km

日本で一番開口面積の大きい電波望遠鏡は？

Jaxa Usuda Observatory
64m parabolla antenna
Aperture: 3217m2
1.4, 2.3, 6.7, 8 GHz

臼田64mか？

日本第3位である
臼田64m

八ヶ岳

野辺山45m~10km

京都大学信楽MUレーダー

日本第1位

信楽駅

2km

国有林の中

京都大学信楽MUレーダー

1km

日本第1位

国有林の中

Tokyo
Kyoto
Osaka

★

Nagoya

日本第1位

～100m

Active phased array of475 Yagis antennas
Effective area: 8330m2
Freq: 46.5MHz （=6.45m)
Beam width:
3.6度
peak power:
1MW
Average power: 50 kW

Shigaraki MU radar operated by RISH Kyoto University京都大学信楽MUレーダー

日本第1位

～100m

Active phased array of
475 Yagis antennas
Effective area: 8330m2
Freq: 46.5MHz （=6.45m)
Beam width:
3.6度
peak power:
1MW
Average power: 50 kW

Shigaraki MU radar operated by RISH Kyoto University

北天46.5MHz … MU ←周波数を45MHzに補正して組み合わせている
南天45MHz
チリのアンテナ
Haslam+ (1981, 1982)
45MHzにおけるmap
408MHzにおけるmap北天46.5MHz … MU ←周波数を45MHzに補正して組み合わせている南天45MHz
チリのアンテナ
45MHzと408MHzの比から求めたスペクトル指数のmap
45MHzにおけるmap

シンクロトロン輻射をになう宇宙線電子のスペクトル指数を決められる

日本のアンテナ面積ランキング
1st largest: phased-array antenna in Shigaraki MU radar
3rd largest: 64m parabola in Jaxa Usuda station

では第2位は？

8330m23217m2

Toyokawa observatory
Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya University

cylindrical UHF radio telescope (317-337MHz)

focal length 7.2m

cylindrical (i.e. 2D) parabolla
Aperture: 3344 m2
Efficiency:
59%
Tsys:146K

日本第２位

1st largest: phased-array antenna in Shigaraki MU radar
3rd largest: 64m parabola in Jaxa Usuda station

8330m23217m2

Toyokawa observatory
Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya University

cylindrical UHF radio telescope (317-337MHz)

focal length 7.2m

cylindrical (i.e. 2D) parabolla
Aperture: 3344 m2
Efficiency:
59%
Tsys:
146K

主目的：太陽風プラズマによる電波シンチレーションを観測し、太陽風の速度、密度の情報を得る

Toyokawa observatory
Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya University

TokyoNagoya
Kyoto

Toyokawa
FRB & CrabFRB and Crab pulsar’s pulse
FRB “Lorimer burst”(Lorimer et al., 2007, Science)

Crab pulsar’s GRP、観測：名大豊川observatory
at 327±10MHz (2017)

1.5GHz

1.4GHz1.3GHz350ms

DM～56.8 pc cm-3
1秒間

↑DM～375 pc cm-3

Crabパルサーの周期は約33msなので、上の1秒間には30個のパルスがあるはずだが、見えているのは1つだけである。
→巨大電波パルス（Giant Radio Pulse=GRP)と呼ばれる（それ以外の普通のパルスはCrab nebulaのノイズに埋もれている）

Dispersion Measure (DM) ≡ column density (cm-2)

1pc cm-3 ～ 3×1018 cm-2

Toyokawa observatory
Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE), Nagoya University

cylindrical UHF radio telescope (317-337MHz)

focal length 7.2m

cylindrical (i.e. 2D) parabolla
Aperture: 3344 m2
Efficiency:
59%
Tsys:
146K

主目的：太陽風プラズマによる電波シンチレーションを観測し、太陽風の速度、密度の情報を得る