OISTERによるX線連星の観測村田勝寛（東京工業大学）
共同研究者
安達稜, 高松裕, 伊藤尚泰, 庭野聖史, 細川稜平, 河合誠之 (東京工業大学),志達めぐみ (愛媛大学), 諸隈智貴, 大澤亮(東京大学), 花山秀和, 堀内貴史 (国立天文台),永山貴宏（鹿児島大），森鼻久美子（名古屋大）,伊藤亮介 (美星天文台), 上田佳宏, 吉武知紘（京都大学）
東工大MITSuMEチームメンバー, OISTERメンバー

今日のお話
X線連星と可視光・近赤外線放射
我々のOISTER ToO観測• ブラックホールX線連星 MAXI J1820+070• ブラックホールX線連星 MAXI J1348-630
まとめ

X線連星
連星系を成す星の一つがコンパクト星（ブラックホール・中性子星）• 伴星からのガスが降着円盤を形成し、中心に落下するに伴い重力エネルギーを解放し、その一部を放射エネ
ルギーに転換• X線アウトバーストすることでMAXI/GSCなどのX線検出器で発見される• 我々が主に観測してるのは，伴星が太陽質量以下の低質量X線連星，コンパクト天体はブラックホール
X線連星の可視・近赤外線• ジェットからのシンクロトロン放射• 降着円盤，X線が照射された降着円盤の外側、又は伴星からの熱放射
降着放射現象もアウトバースト中で変化様々な時間尺度で変動
可視・近赤外線の色や変動、他波⾧との関係を調べること
で放射源に制限全天X線監視装置 MAXIによるブラックホールX線連星の発見
国際宇宙ステーション (ISS)

ISSの地球周回で約92分ごとに掃天
2009年にミッション開始
MAXIによるブラックホールX線連星の発見数 14個（2020年10月時点 https://iss.jaxa.jp/kibouser/pickout/71943.html）「きぼう」日本実験棟

X線で（フラックスが）明るいTOP 3• 2017年9月発見 MAXI J1535-571• 2018年3月発見 MAXI J1820+070• 2019年1月発見 MAXI J1348-630
2年間に明るいブラックホールX線連星が立て続けに発見された 発見から数日内に可視光・近赤外線で同定
 可視光・近赤外線でも明るく、精力的に観測された
加えて、メインアウトバースト後に再増光も見られた

「MAXIによるX線連星の発見」, 根来均, 天文月報 全天X線装置 MAXI 10周年特集号, 2019

MAXIが発見したX線連星の光度曲線

黒、灰色線がブラックホール

X線連星観測のまとめ（2017年7月以降）• MAXI J1820+070 [OISTER ToO]
• １日のうちの短時間変動など 安達（卒業）、村田、伊藤、河合 / Adach et al. in prep
• MAXIのX線+可視光・近赤外線 志達（愛媛大）/ Shidatsu et al. 2018, 19, ApJ

赤字：学生
下線：東工大外• せいめい分光＋OISTER近赤外線 吉武・上田（京大） #「せいめい」は共同利用/京大時間枠• MAXI J1535-571 [IRSF] 森田（卒業）、村田、河合• MAXI J1348-630 [OISTER ToO] 高松、河合、村田、大枝（卒業）、白石（卒業）/ Oeda+20 ATel #13539• MAXI J1727-203 [IRSF] X線 + 近赤外線 +LCO可視光 Wang、河合、村田 / Wang et al. submitted• GRS 1915+105 [OISTER ToO] 村田、河合 / Murata+19 ATel #12769• Swift J1858.6-0814 [OISTER ToO] 村田、河合• MAXI J0637-430 [IRSF] 村田、河合 / Murata+19 ATel #13292• MAXI J1621-501 [IRSF] 村田 、河合  データ提供してGorgone et al. 2019, ApJ, IRSF限界等級を含む追観測結果• Aql X-1 [MITSuME，むりかぶし，かなた] 庭野，河合, 村田
OISTER ToO + IRSF 8天体、明るい天体を重点的に観測出版済み査読付き論文 OISTER利用 1編、IRSF利用 1編、 MITSuME利用 1編書き進めている論文 OISTER利用 1編、IRSF利用 1編
学位論文 学部 3、修士 3

ATel 3件

ブラックホールX線連星 MAXI J1820+070
2018年3月11日にMAXIで発見された（Kawamuro+2018, ATel #11399）• (l, b) = (35.85, +10.160)• D ~3 ± 1 kpc (Gaia, Gandhi et al. 2018)
2.96±0.33 kpc（VLBI, Atri et al. 2020）• NH ~ 1 x 1021 cm-2 ⇔ 減光 Av ~ 0.3
比較的に近くて減光が小さい 可視光・近赤外線で明るい
Rc~12等 メインアウトバーストのピーク
Rc~13等 再増光のピーク
非常に活発な追観測が世界中で行われた
T~20日からOISTER ToO、MITSuMEで観測

MITSuME Ic, 3/24

DSS, アウトバースト前

メインアウトバースト期のX線・可視近赤外線SED
2018年3月末の可視光・X線・電波SED

志達さんスライド, Shidatsu+18

可視光・近赤外線のSEDに折れ曲がり 照射円盤成分(irradiated accretion disk)とジェットからのシンクロトロン放射の二成分二成分分離するには、OISTERの近赤外線・可視光の同時観測が重要

メインアウトバースト OISTER観測
Shidatsu et al. ApJ868, 54, 2018
Shidatsu et al. ApJ, 874, 183, 2019

1回目の再増光での観測

東工大安達さんの修論
投稿論文を準備中

3/23と4/15に多波⾧で集中的な同時観測
4/15はTomo-e, NICERなどの可視光・X線同時の高時間分解観測

3/23, 4/15の同時観測
近赤外線 JHKs

可視光 riz

可視光 no filter
高時間分解

可視光 gRcIc

同時観測
X線観測 NICER(The Neutron Star Interior Composition Explorer Mission)
X線観測装置＠ISS0.2 – 12keV
OISTER ToOに（なるべく）時間を合わせた観測を依頼
今回の同時観測のエネルギーバンド
可視・近赤外https://heasarc.gsfc.nasa.gov/

X線
0.2 – 12 keV(NICER)

KH J z i r g
0.00
10.01

0.1

110[keV]観測時間帯
4月15日
Tomo-e, NICERの高時間分解
 秒スケールでの光度曲線比較
なゆた，SaCRA，MITSuME 変動・定常成分の多波⾧SED

3月23日
SaCRA, MITSuME, NICER
 変動・定常成分の多波⾧SED

3月23日の一晩の光度曲線
可視光 + X線

可視光
g：MITSuME 10秒露光
riz: SaCRA 5秒露光

X線 NICER

5-10秒スケールの時間分解データ• 可視光・X線ともに変動• 両者が相関変動成分のSEDを調べる• flux-flux plotから各バンド間の比率を計算
傾き• i-bandを基準としてfluxの相対量をとる

3月23日のSED：変動成分
可視光：power law
X線：power law
可視光・X線がsingle power lawでも矛盾なさそう (ν ~ 0.6）

3月23日のSED：変動成分と平均
X線
平均と変動成分のSEDが同じ傾き
 変動成分のみでもよい
X線平均
可視光平均
X線変動
可視光変動

可視光
• 平均と変動成分のSEDが異なる傾き• 平均は変動よりも青い 変動成分と相対的に青い定常成分
可視光とX線のエネルギーがほぼ同じ

4月15日の一晩の光度曲線①可視近赤外線

なゆた（上からKs, H, J）

SaCRA（上からzir）
MITSuME（g）
Tomo-e（no filter）

可視近赤外線で相関した変動

4月15日の一晩の光度曲線②可視近赤外線＋X線
可視光
g：MITSuME
riz: SaCRA
JHKs: なゆた

X線 NICER

可視近赤外線とX線変動が相関

4月15日のSED：変動成分と平均3月23日と同様な傾向
X線
平均と変動成分のSEDが同じ傾き変動成分のみでもよい
X線平均 可視光
可視光平均• 平均と変動成分のSEDが異なる傾き
X線変動 • 平均は変動よりも青い

可視光変動

 変動成分と相対的に青い定常成分
可視光とX線のエネルギーがほぼ同じ変動成分と平均SEDの傾きは近い
平均SEDだけ二成分の存在には気づきにくい 時間分解観測の有用性

標準円盤＋高温降着流＋ジェットモデル
可視光・近赤外線（短時間変動成分）

ジェット内部衝撃波

 BH近傍の高温降着流・ジェット  短時間変動
 降着起因のプラズマシェル放出  X線と可視光の短時間変動の相関、X線に対する可視光の遅延
 BH近傍を高温降着流にすることでX線放射を抑制
一方で、降着円盤外側は標準円盤で可視近赤外線を放射 可視光とX線が同程度の放射エネルギー

γ'

BH

プラズマシェル γ

X線（短時間変動）

高温降着流

標準円盤

可視光・近赤外線（定常成分）

標準円盤＋高温降着流＋ジェットモデルによるSEDフィット
4月15日

ジェット

高温降着流

𝜈𝐹 [keV /cm /sec/keV]𝜈𝐹 [keV /cm /sec/keV]

3月23日• 両日ともに，観測された平均SEDを再現可能• 再増光時にも，メインアウトバースト同様に，標準円盤＋高温降着流+ジェットが存在ブラックホールX線連星 MAXI J1348-630
東工大M1高松さんの研究• 2019年1月26日に発見されたブラックホールX線連星（Yatabe+19, ATel #12425）• 同日にSiding Spring 51 cmで可視光同定される（Denisenko+19, ATel #12430）• 2月7日（T＝11日）から、OISTER ToOによりIRSF/SIRIUSにてJHKsバンド同時撮像• 3月下旬にIRSFで10秒積分の約1.5時間連続観測、3月18日（T=51日）に特異な短時間変動を検出

IRSF 1.4m望遠鏡

https://www.nsc.nagoya-cu.ac.jp/~sugitani/⾧期ライトカーブ
hard

近赤外線 IRSF

soft

各点が1日

hard
青:J, 緑:H, 赤:Ks

明るさ

特異な近赤外線短時間変動
青:J-H, 緑:H-Ks

色
赤:2-4 keV, 緑:4-10 keV, 青:10-20 keV

X線 MAXI
明るさ

緑:4-10 keV/2-4 keV, 青:10-20 keV/4-10 keV

hardness ratio

発見日からの経過日数

近赤外線の特異な変動は，X線ハイ・ソフト状態で出現
X線ハイ・ソフト状態は~10秒スケールの短時間変動は，他のX線連星でも（少なくとも）稀X線と近赤外線の⾧期変動の相関
各点が1日

X線ソフト状態
2-4 keV X線とKsバンドが相関
X線ソフト状態

X線と近赤外線の⾧期変動の相関
緑線：X線ソフト状態のフィット

2-4 keV

4-10 keV

JH

Ks
近赤外線はソフトX線と相関がよさそう（要定量評価）

10-20 keV

近赤外線⾧期変動成分の放射源
先行研究のX線スペクトルフィット (Tominaga+20)• T ~ 50日で2-4 keVは多温度黒体放射成分が支配的（Tominaga+20）• 近赤外線⾧期変動とソフトX線が相関 近赤外線⾧期変動成分と多温度黒体放射の降着円盤の放射が関係 近赤外線の⾧期変動成分が照射円盤から可能性（別のX線連星ソフト状態で見られている）

diskbb

T ~ 50日
特異な近赤外線変動の一日前

黒点：MAXI/GSC
赤点：Swift/XRT

今後，X線＋赤外線のSEDフィットで検証

近赤外線の特異な短時間変動
power law
spectral index α
Fν ~ ν^α

特異な短時間変動
T=51
T=46
T=45

Av=3.58で減光補正

現時点では放射源は不明
分かっていること
1. 近赤外線の⾧期変動成分とは色が異なるため別起源
2. J-H, H-Ks の色は, 黒体放射,power law, free-freeとは不一致（左図）
3. 17秒以下の増光・減光であり，コンパクトな放射領域
4. 約30分は変動がなく安定近赤外線の特異な短時間変動
我々が知る限り，ブラックホールX線連星では初めて観測された現象
X線ではブラックホールX線連星でflip flopと呼ばれる同様な光度変動の報告例があるがこれも起源不明．
他波⾧でも報告例はなさそう．
これまで未発見だった理由
1. 今回の観測実施の特殊性• X線ソフト状態 & 短時間積分（17秒おき）を連続して1時間以上 & ⾧波⾧（赤外線）• X線ソフト状態では1秒, 10秒程度の時間尺度の変動報告がなかった 短時間積分の連続観測を⾧時間しない• 積分時間が⾧いと特異性に気付かない• 赤外線で⾧波⾧ほど増光幅が大（ΔJ~0.15, ΔH~0.25, ΔKs~0.3）
 可視光では増光幅が小さくて検出不可能？
2. 稀な発生頻度？
• 我々のソフト状態の観測中でも1回のみ，やや変動時間が遅い類似した変動は6回
意図的に観測したら別天体でも検出可能かもしれない

まとめ
OISTER ToOにより，ブラックホールX線連星の観測
MAXI J1820+070• メインアウトバースト：X線との多波⾧観測  可視光近赤外線はジェット＋照射円盤放射• 再増光：X線との多波⾧+高時間分解同時観測  標準円盤，高音降着流，ジェットの存在
MAXI J1348-630• X線ソフト状態で特異な近赤外線短時間変動を検出
OISTERの多波⾧・時間分解，Ｘ線と同時観測でX線連星の物質降着放射現象の理解• 明るいX線連星は中小口径望遠鏡でも短時間変動の検出も可能• J1348の特異な変動の検出例のように，観測が不十分で発見の余地がある可能性
ToO観測の実施・ご協力ありがとうございました．