CTAと次世代X線天文台

馬場彩(ダブリン高等研究所/宇宙研)

1. TeVガンマ線とX線
共通の大目的の一つ:
共通の大目的のつ: 宇宙の加速器源と加速機構の解明
ICE2 dF
F/DEsync.

π0thermal

X線

TeVガンマ線: IC emission from eemission from pi-on
X線:
synchrotron from ethermal emission

protonelectron
TeVガンマ線

Energyinfo on accelerated e/p
info.
info. on T and NT e
info. on density, B, …

TeVガンマ線とX線のcombinationで初めて加速源の正体、加速された粒子の種類が決定出来る。

2. CTA時代のX線天文台
X線は地球大気を透過出来ないため、人工衛星での観測となる。
X線は地球大気を透過出来ないため人工衛星での観測となる
従って、X線天文台の寿命は~10年と短い。
-.. 既にあるX線天文台
ASTRO HはASTRO-HはChandra(米: 2000 - )CTA時代の唯一のXMM-Newton (欧: 2000 – )公開X線天文台INTEGRAL (欧: 2002 - )新天体探査・時間変動天体にはSuzaku (日米: 2005 - )特に重要
MAXI (日: 2009 - )->> 素子さんトーク(X線はアーカイブも充実)-.. これから打ち上げ予定のX線天文台
れから打ち上げ予定の 線天文台
ASTROSAT (印: 2010年打ち上げ予定??)
NuStar (米: 2011年打ち上げ予定)(Simbol-X 伊仏:伊仏 キャンセル)キe-ROSITA (欧: 2012年打ち上げ予定??) 全天サーベイ型
ASTRO H (日米欧: 2013年度打ち上げ予定)
ASTRO-H
IXO (日米欧: 2023年打ち上げ予定??)

3. ASTRO-H搭載機器
14m,, 2.6t !

SGD (軟ガンマ線検出器)
10 – 600 keVで世界最高感度を達成
SXI (軟X線撮像検出器)
0 3 – 12 keV
0.330分角の大視野CCD

SXS (軟X線分光検出器)
悲願のX線カ リメ タ
悲願のX線カロリメータ
超伝導体を60mKに冷却し、X線による温度上昇を利用しE測定
E分解能 4eV (0.2 – 12 keV)

HXI (硬X線撮像分光検出器)
10-80 keVで世界初の望遠鏡による撮像分光

4. ASTRO-Hの検出感度 (連続成分/点源)
10uCrab

1mCrab(Takahashi+))keV>10 keVで2桁以上の感度向上
CTAの感度(1mCrab@1TeV)と同程度まで広帯域で到達可能

5. CTAとASTRO-Hの目指すサイエンス
5.1.
51 宇宙線加速天体の詳細研究-. 超新星残骸の爆発エネルギーのエネルギー分配と加速領域の相関-. パルサー星雲での宇宙線加速の詳細観測-. 活動銀河核の同時モニター観測
活動銀河核の同時モニタ 観測-. X線連星系、白色矮星、…
-. 銀河団での宇宙線加速-. GRB ?
5.2. 新しい宇宙線加速天体の探査-. TeV未同定天体の系統的探査
体-. そのほか、新種の加速源が見つかるか?

5.1. 超新星残骸での宇宙線加速の詳細研究
宇宙線
宇宙線へのエネルギー注入量は?
ネルギ 注入量は まだほとんど分か
まだほとんど分かっていないて な
超新星残骸の熱的プラズマ: 強い電離非平衡状態
熱的エネルギーの見積もりは非常に難しい -> SXS !!
SN1006: 粒子加速現場と非加速現場が混在/TeVガンマ線あり-> 宇宙線へのエネルギー注入量が測定可能
NE shell
NW shell
sync. (+thermal) X-rays
thermal X-rays

NEとSWの違い
NEの中の違いSXSの視野Expected spectrum (NE shell: 80ks exposure)
O VII Kα (4%)
O VIII Kα (16%)

O VII forbiddenO VII Kβ (7%)

O VIII Kβ Ne IX Kα

non-thermalLine width ((~1eV)
1eV)

シンクロトロン放射に隠れて見えなかった
熱的プラズマからの輝線を測定

熱的成分の決定 -> 加速粒子へのE注入
1 各領域でkT電子、kT
1.
kT電離、kTkT陽子、nnetの決定
He-like O KαkT電子 (30% acc.)
He-like O Kβ
net (15% acc.)

H like O Kα
H-likekT電離 (10% acc.))
He-like O Kα
2 line broadening2.
kT陽子 (20% acc.)
acc )3. 年齢は1000(+α)年-> プラズマ密度・圧縮率などの決定(20% acc.)
acc )NE、SW各部分で背景プラズマの状態が分かる
プラズマの熱的E/衝撃波運動E/宇宙線Eの決定
TeVガンマ線放射領域と相関はあるのか?
線放 領域 相関 あプラズマ状態と加速粒子の最高エネルギー
どんな背景プラズマ状態でどんな加速効率 最高Eになるか?
どんな背景プラズマ状態でどんな加速効率・最高Eになるか?
synchrotron X-rayのcut-off: 10%程度の精度で決定可能
TeVガンマ線mappingを用い、TeVガンマ線mappingを用い~1arcminの分解能で広帯域スペクトルが作成可能
NE shellの中でも、宇宙線shellの中でも、宇宙線へのエネルギー注入との ネルギ 注入と最高エネルギーの相関が調べられる
SN1006 NE rim 100ks
SXS
HXIRX J1713の場合

SNRの各部分でSEDを書くことが可能に!
(注: ASTRO-Hの視野は数分)
ASTRO Hの視野は数分)

5.2. 新たな宇宙線加速源探査
TeVガンマ線未同定天体:~ 0.01 – 0.1 Crab
銀河面に存在、0.1deg.に拡がっている
現在約50天体

HESS team,team 2009

正体は? 銀河系内天体? 超新星残骸 or パルサー星雲?
-> X線での追観測が必須

X線でのfollow-up
パルサー星雲HESS J1825-137(H. Uchiyama+09)
TeVで見られたsofteningはない

超新星残骸

CTB37B (Nakamura+09)

本当に「暗黒加速器」だったもの
HESSJ 1616-508 (Matsumoto+07)
SuzakuHESS

様々な対応天体を発見
系統的な研究が可能に
upper-limit !
FTeV/FX > 55

TeV unID list
HESS J1303-631
HESS J1427-608
J1427 608
HESS J1614-518
HESS J1616-508
HESS J1626-490
J1626 490
HESS J1632-478
HESS J1634-472
HESS J1702-420
HESS J1708-410
HESS J1731-347
HESS J1741
J1741-302
302
HESS J1745-303
HESS J1747-281
HESS J1804
J1804-216
216
HESS J1813-178
HESS J1825-137
HESS J1834-087
HESS J1837-069
HESS J1841-055
HESS J1843-033
HESS J1857-026
HESS J1858+020
TeV J2032+4130

categorydark
PWN?
darkdark
SNR?
unknown
dark (+MC SNR)
dark
PWN
PWN
PWN
PWN

PWN

(http://tevcat.uchicago.edu/)
HESS J1640-465
HESS J1718-385
HESS J1809-193
HESS J1833-105
HESS J1846-029
HESS J1912+101
HESS J1923+141

category
PWN
PWN
PWN
PWN
PWN
PWN
PWN

adding known sources

shell SNR: 6
PWN:
23+4
dark:
4
SNR+MC:3
unknown: >1binaries
4star forming region 2
PWNがmainPWNがi
古いSNRもかなりいる

Clue of dark particle accelerator? HESS J1745-303 (1)SNRs
G359.0-0.9,
G359.1-0.5

No X-ray !

(Bamba+ 2000)

Only thermal

6arcminnearby sources

0.5
05-2
2.00 keV (Suzaku)
contour: HESS

(Bamba+09)

Clue of dark particle accelerator? HESS J1745-303 (2)No X-ray !

6arcmin

2.0-8.0
20 8 0 keVk V (Suzaku)(Sk )contour: HESS

(Bamba+09)

Clue of dark particle accelerator? HESS J1745-303 (3)excess !

neutral (cold) iron line
(Suzaku)
contour: HESS
6arcminmolecularcloudRefrection nebula in GC?
(c.f. Murakami+02)

XX-raysource(Bamba+09)

Synchhrotron X-ray L
Luminosity [10034 erg//s]

SNRの進化とシンクロトロンX線光度> 1034 erg/s
明るい(Nakamura, in prep.)

年をとるとシンク ト ンX線はシンクロトロンX線は一気に暗くなる-> B小、Eemax小SNRの進化とTeVガンマ線線光度
εB = 0.0005
ξ = 3.0
A = 2.2×1048

LTeVが落ちない-> 陽子加速か?

折れ曲がりがあるか調 るには折れ曲がりがあるか調べるには感度/サンプル数が圧倒的に足りない(Nakamura, in prep.) -> CTAで超新星残骸での宇宙線加速に決着を!

6. まとめTeVガンマ線とX線は高エネルギー宇宙物理学で相補的な役割を果たす。
相補的な役割を果たす
CTA時代にはASTRO-Hがほぼ唯 の国際X線天文台。
CTA時代にはASTRO-Hがほぼ唯一の国際X線天文台
ASTRO-Hの高E分解能・広帯域観測は、加速領域の環境や電子の加速状況を突き止める。
CTAの観測と併せ、陽子加速についての定量的研究も可能に。
CTAの銀河面探査は、新たな宇宙線加速天体を発見し、陽子加速源をつきとめられるか?