2023年度 OISTERワークショップ

3/7-9 @東京工業大学

せいめい望遠鏡を用いたMAXI J1820+070の短時間変動探査
笹田真人（東京工業大学）
村田勝寛（京都大学）、樋口成和、高橋一郎、庭野聖史、
谷津陽一（東京工業大学）、志達めぐみ（愛媛大学）

1

MAXI J1820+070•ブラックホールX線連星想像図•X線によるアウトバーストの発見•ブラックホールと伴星質量•ブラックホール質量：太陽質量の6.75倍•伴星質量：K型星 (K5) (Mikołajewska et al. 2022)•アウトバースト中においてQPOやミリ秒の変動•電波ジェットが噴出
MAXI によるX線光度曲線

Credit: Aurore Simonnet and NASAʼs Goddard Space Flight Center

亜光速ジェットv > 0.8 c<latexit sha1_base64="P/d4JnPhZKaeGLAo8QrpmtmizZE=">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</latexit>

MJD

2Bright et al. 2020

暗い時期における変動
MITSuME望遠鏡による可視光光度曲線
1年間
gバンド等級

せいめい/TriCCS観測

静穏期の明るさ

MJD

暗い時期の放射機構は未解明•アウトバースト、再増光後は暗い時期が継続する•静穏期まで暗くならない

短時間変動を検出することで暗い時期の放射機構の解明•伴星でないブラックホール近傍からの放射•暗い時期においても可視光の変動が観測
3

せいめい望遠鏡/TriCCS•MAXI J1820+070をTriCCSを用いて観測•観測期間：2023年5月23日•観測バンド：g2, r2, i2 または g2, r2, z•観測合計時間：6000秒•露出時間：0.2秒
MAXI J1820+070

4

i2r2g2

フラックス (mJy)

フラックス (mJy)

光度曲線

時間 (sec)

時間 (sec)•3500秒のタイムスケールの光度変動•30秒程度の短時間変動の検出
5フラックス (mJy)

フラックス (mJy)

スペクトル変化αgi

Fg / Fi

赤青•3500秒程度の光度変動→ 増光時に青くなる•30秒程度の短時間変動→増光時にスペクトルに変化なし
6

パワースペクトルとQPOMAXI J1820+070•Lomb Scargle法によるパワースペクトル比較星•天体のパワースペクトルの4.3x10-2 Hzにピーク(fpeak)が存在➡準周期的振動 (QPO)•比較星のパワースペクトルにはピークが存在しない

fpeak•調和振動と考えられるピークも検出(2fpeak)

短時間変動のタイムスケール：〜23.3秒

72fpeak

3fpeakSpectral Energy Distribution•平均スペクトル指数は -0.58<latexit sha1_base64="8UFnkTZ1P1qnFLdfzzdyvT5fKws=">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</latexit>•衝撃波加速による高エネルギー電子からのシンクロトロン放射を仮定すると、指数〜-0.5➡観測と矛盾なし∝ ²⌫F⌫ erg s 1 cm 2•降着円盤の多温度放射を仮定すると、スペクトル指数は 2 または 1/3➡観測のスペクトルと矛盾•短時間変動時にスペクトル指数は変化しなかったi

短時間変動はシンクロトロン放射である可能性
𝜈𝜈𝜈8𝜈

𝐹

𝐹

𝐹

𝐹

短時間変動のスペクトル指数rg<latexit sha1_base64="Q/B2LzKhti4zcCgpYEDpfUuUi5U=">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</latexit>⌫ (Hz)

∝1/3

∝

-0.5

∝

-0.58

変動タイムスケールと放射領域<latexit sha1_base64="KbTUzSg6bzcaMRBu9fdOALam+OA=">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</latexit>

ブラックホール質量 (6.75 M ) とタイムスケールから領域のサイズRを推定<latexit sha1_base64="T+vZAV2fHWYLm9aVEZZ8Y1sXlRk=">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</latexit>

R = ↵RS （RS：シュワルツシルト半径）<latexit sha1_base64="MTR6Wra6161h8+IQb16F+g6t5WI=">AAACd3ichVHLSgMxFD0dX7W+qm4EFxZLS1clI74QBNGNy9raB7SlzIyxDs6LmWmxFn/AH3AhCApSxc9w4w+48BPEZQURXHg7HRAt6g1JTk7uuTlJZEtTHZexp4DQ1z8wOBQcDo2Mjo1PhCenco5ZsxWeVUzNtAuy5HBNNXjWVV2NFyybS7qs8bx8uNXZz9e57aimses2LF7Wpaqh7quK5BJVCU+l10uSZh1IkXSlWbL1SOakEo6yJPMi0gtEH0ThR8oMt1DCHkwoqEEHhwGXsAYJDrUiRDBYxJXRJM4mpHr7HCcIkbZGWZwyJGIPaazSquizBq07NR1PrdApGnWblBHE2CO7ZW32wO7YM/v4tVbTq9Hx0qBZ7mq5VZk4ncm8/avSaXZx8KX607OLfax6XlXybnlM5xZKV18/Pmtn1tKxZpxdsRfyf8me2D3dwKi/Ktc7PH2OEH2A+PO5e0FuISkuJ5d2FqMbm/5XBDGLeSTovVewgW2kkKVzj3CBFm4C78KcEBcS3VQh4Gum8S0E8RMTjZDN</latexit><latexit sha1_base64="3bRgmCLawqLJIH7iFzIlUhpq3b4=">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</latexit>

3500秒

23.3秒

Dynamical αdyn

21,000730

ケプラー回転Free-fall αfall

180,000

6,500

ADAF/RIAFLight crossing αlc

2,600,000

120,000<latexit sha1_base64="ke4mzXggX3H0OBy7szhZe+XQ+og=">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</latexit>

再増光期におけるRout ⇠ 10

4 5RS

•23.3秒の変動の場合、Free-fall 時間•3500秒の青い変動の場合、Dynamical 時間
9(Yoshitake et al. 2024)長時間変動の放射機構と起源
4<latexit sha1_base64="GxA4GJeaIP0GjBVs1bHjPk5u1Ls=">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</latexit>

2.1⇥10 RS
降着円盤からの熱的放射

BH
降着円盤
ADAF

•3500秒の長時間変動は降着円盤の外縁部からの熱的放射を想定•放射および変動のシナリオ✓部分的な質量降着の発生（例えば磁気リコネクション）による降着率の上昇✓外部からの質量降着による一時的部分的な降着率の上昇10短時間変動の放射機構と起源
ADAF領域からのシンクロトロン放射3<latexit sha1_base64="3H19s1gb/6t9eNhe48iR2P9c21A=">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</latexit>

6.5⇥10 RS
BH
降着円盤
ADAF

•短時間変動は Free-fall 時間で変化すると想定•短時間変動のスペクトルはシンクロトロン放射と一致•放射および変動のシナリオ
1.ブラックホールへ物質降着しジェットまたはHot owで高エネルギー電子が生成
2.生成電子からのシンクロトロン放射
fl

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まとめ
•せいめい望遠鏡/TriCCSによりブラックホールX線連星 MAXI J1820+070 の多色連続観測を実施した•暗い時期において、3500秒スケールおよび30秒スケールの変動を検出した•パワースペクトルにおいて 4.3 10-2Hz (~23.3秒) にピークを持つ•観測されたスペクトル指数から短時間変動はシンクロトロン放射のスペクトルと矛盾がなかった

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