Multimessenger astronomy driven by
high-energy neutrinos andgravitational waves
Shigeru Yoshida
International Center for Hadron Astrophysics
Chiba University

Concepts of the Cosmic fluxes
cosmic background flux
= sum from all (likely unresolved)
extraterrestrial sources from all-sky

Point-source Flux = flux from a (resolved)
astronomical object (including an extended source)[flux] = /cm2 s str“luminosity” or [energy flux] = GeV/cm2 s str[flux] = /cm2 s“energy flux” or [sed] = erg (or TeV) /cm2 s

Astro. 
Astro. 

Atm. 

Atm. Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The UHE Cosmic Background Radiations[energy]/[area][time][solid angle]

The UHE Cosmic Ray Energy Flux

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The UHE Cosmic Background Radiations
The UHE Cosmic Ray + Neutrino Energy Fluxes

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The HE Cosmic Background Radiations
The UHE Cosmic Ray + Neutrino + g-ray Energy Fluxes

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The Cosmic Photon Background Radiations

CMB

赤外x-Ray

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

g-ray

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宇宙からのすべての手紙を読み解く
マルチメッセンジャー宇宙物理学ニュートリノ
超高エネルギーに加速された物質の衝突で生成される、透過力に優れた素粒子。

重力波
時空間の歪みが波として伝わる。
強大な重力エネルギーが生み出すダイナミクスを直接伝える。

重力波ニュートリノ
光(電磁波)

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Big Questions• 宇宙はどうやって、陽子・原子核を超高エネルギーに加速して放射できるのか?
宇宙線の起源 → プラズマ物理・重力エネルギーの変換機構
宇宙はなぜこれほど多様なのか?

• ブラックホールの誕生と成長
ニュートリノ、重力波(あるいは宇宙線)放射天体候補の多くは、ブラックホール(または中性子星)の誕生または成長によって駆動されている。
光学的に極めて厚い環境 → ニュートリノと重力波のみが爆発(またはフレア)の第一報を届けられる
新しい天体現象の発見 (新しい手段で宇宙を視れば、かならず発見がある)
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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Production Mechanisms of the Cosmic Neutrinos“On-source” TeV - PeV
pp → p → pgp → p → pphotopion production“GZK” cosmogenic 

EeV
CMB

100EeV p

gp → p → Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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超高エネルギーの光は遠くから届かない
遠方宇宙

近傍宇宙

太陽系
宇宙像は観測エネルギー
帯によって全く異なる

低エネルギーx 10000倍x 10000倍x 10000倍

高エネルギーx 10000倍

銀河
標準的天体

銀河団

原始銀河形成ビッグバン

大型ブラックホール
爆発的天体

電波

サブミリ波
可視光
X線
ガンマ線

x 10000倍

硬ガンマ線
x 100万倍超高エネルギー

宇宙線

未知の「見えない」宇宙ニュートリノ
ニュートリノだけが超高エネルギー帯でも深宇宙を貫通して飛来

10どんな天体が考えられるのか?

• Most of them is driven by huge gravitational energy created by (massive) BH• Under high-dense plasma/gas environment. Possibly optically really thick

Shigeru Yoshida - 天文学会 202311

マルチメッセンジャー宇宙物理学
その１
すでに存在し公表されている観測データを照合して、説明する。主とし理論研究

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The UHE Cosmic Background Radiations
The UHE Cosmic Ray + Neutrino Energy Fluxes+ (Examples of) the Model Predictions

Shigeru Yoshida - 天文学会 202314

宇宙線とニュートリノ背景放射を統一的に説明する試み(low luminosity) TDE pg

High Energy (10TeV-PeV) pp in clusters of galaxies

Biel, Boncioli, Lunaridini & WinterSci. Rep 8, 10828 (2018)

Fang & Murase
Nature Physics 14 196-198 (2018)

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The Point-source  emission
4.2s (post-trial) excess in TeV range with 9 years of data

TeV  sky

Seyfert II
Galaxy NGC
1068
IceCube Collaboration
Science 378 538 (2022)
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The Energy fluxes of multimessengers
過去にpublishされているデータでゲームをする

Seyfert II
Galaxy NGC
1068
IceCube Collaboration
Science 378 538 (2022)
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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Probing the obscured vicinity ofsupermassive black holes
過去にpublishされているデータでゲームをする

30Rs

Seyfert II
Galaxy NGC
1068

104Rs

Imaging by Event Horizon Telescope
Murase ApJ 2022
Shigeru Yoshida - 天文学会 202318

マルチメッセンジャー宇宙物理学
その２ニュートリノ・重力波の検出情報を元に追尾観測(ToO)する(またはその逆)。
主に観測的・実験的研究
今日の企画セッションの講演の多くはこちら

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Science 361, eaat1378 (2018)

IceCube-170922A event• 2017/9/22 20:54:30.43 UTC• 5th and the most cosmic neutrino signal like EHE alert• automated alert was distributed to observers just 43 seconds later
Fermi Telescope

gamma-rays
neutrinos
neutrino observed
optical light

Optical telescopes

Kanata telescope...and many more telescope

g-ray Blazar TXS 0506+056Magic telescopeHigh Energy Neutrino Astronomy - Shigeru Yoshida

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VLBI observations
43 GHz by VLBA
November 11, 2017

May 4, 2018

Interesting inner jet structures
Indications of either• deceleration• spine-sheath strcturea source seed photons
for pg interactions

Neutrinos!

E.Ros+ A&A (2020)70-140 pc from the VLBI core21

マルチメッセンジャー観測網の構築(ニュートリノ観測から見た場合)

すばるPFS

XRISM

IceCube-Gen2時代のネットワーク発展
Fermi-LAT

CTA

MAGIC
かなた

すばる

KAGRA
LIGO

 天体ブレーザー
TXS0506+056 同定に貢献した観測施設
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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IceCube Realtime Alertsversion 2 now online!
purity of cosmic neutrinos

inheritance from the version 1

veto-based
HESE

>50%

EHE (Ultra-High Energies)
new addition!
GFU (Gamma-ray Follow Ups)

>30%
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The Present Neutrino Alerts Directions

Credit : Marcos Santander
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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とくに今日言いたいことはここから本当はこんな風に話したいのですが

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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そもそも天体が見つかるかどうかすら分からない(LVK時代はほぼ) BH か NS の連星系

重力波

対応天体が同定できるかどうかの勝負

ニュートリノ

どんな天体かすら事前に分からない
AGN? かもね。GRB? かもね。TDE? もしかしたら。
考えもしなかった天体かも。Dark Matter かも。

まさにパイオニア・スピリットの塊すでに知られている天体細かく見てどこに物理があるんですか、と考える人向き

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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いや、でも何にも見えなかったら天文じゃないよ
伝統的にはそうでしょう。しかし、あなたは間違っています。

そこからが腕の見せ所なんです。
Swift XRT によるフォローアップのATelflux の上限値をだしている。

でもこれだけなら物理にならない

Shigeru Yoshida - 天文学会 202331

(典型的な)天文観測との違い
ニュートリノという素粒子をメッセンジャーにする場合

• 測定対象は「波」• 測定対象は「粒子」一個、一個を検出する。離散的連続的それぞれに、「エネルギー」「方向」を推定する。検出面積・時間で割れば flux

• 信号の大半はバックグラウンド
大気で作られる大気ニュートリノ
目指す宇宙ニュートリノは10億個の検出粒子のなかの僅か1個

撮像
ニュートリノ1個が氷河と衝突してチェレンコフ光を放射する様子の模式図

分光

宝さがしの腕前=観測データ解析能力• 宇宙からの背景放射も放射元天体の分解も両方行う実質的な「視野」は2p (オムニ)• 宇宙からの信号が無くても重要なサイエンスはある• 宇宙由来じゃない雑音は無いか少ない

上限値から物理の制限(「素粒子物理的」)宇宙からの信号取得は当たり前
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

実際に測定されるニュートリノ「事象」

32素粒子物理的なセンスとの融合はどうでしょう?
たとえ見つからなくても物理はでる。パラメータスペースをスキャン
ニュートリノを使った暗黒物質探索
High Energy Neutrinos Snowmass Paper (2022)

ニュートリノを使った量子重力効果の探索
IceCube Collaboration Nature Physics (2022)

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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ニュートリノ放射天体のパラメータスキャン
同じ方角から複数個のニュートリノ信号が見つかっていないことを使う

どんな未知の天体にも適用できる → 見つからなければ物理に制限
爆発・フレアの頻度

False Alarm Rate 0.25/year

5-year sensitivity

𝑀𝑁𝑃𝑠> 10−6

for a given sky patch of 1 deg2 with 30 days

If we found no doublet by ~ 5 year observations
source classes withE > 5 x 1051 erg, r < 2 x10-8 Mpc-3 yr-1
are rejected
Super Luminous SNe and jetted TDEs are
not the major sources

天体の明るさYoshida, Murase, Tanaka, Shimizu, Ishihara, ApJ(2022)
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超高エネルギー宇宙線とニュートリノを両方出せる天体の条件をパラメータスキャン
どんな未知の天体にも適用できる → 見つからなければ物理に制限
Survival Condition
Escape Condition

Luminosity Density

Energetics Condition
Fiducial Neutrino
Flux Condition

pg optical depth
Yoshida & Murase PRD (2020)
Shigeru Yoshida : Highlight Talk - ICRC 2023

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X線(MAXI, NICER)とだってうまくやれば….
相対論的ジェット内では、宇宙線陽子の衝突相手は X 線(photo-hadron 衝突断面積のデータと相対論からの必然的帰結)

この衝突からニュートリノ生成

ニュートリノの明るさ
磁場

プラズマのLorentz因子∝ 𝜉𝐶𝑅 × 𝐿𝑋 × ( 𝐿𝑋, 1) × B × 𝑓 Γ
プラズマ中の宇宙線陽子の量

この天体はPeVatronなのか? 宇宙線起源

極限天体環境のプローブ
重力エネルギー解放と宇宙の多様性の理解

Big Questions
Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The UHE Cosmic Background Radiations
The UHE Cosmic Ray + Neutrino Energy Fluxes

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

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The UHE Cosmic Background Radiations
LX (2-10 keV) 5x1046 erg/s (low luminosity GRB-like な場合)
からの Neutrino background radiations

G=2G = 10

G=3

Shigeru Yoshida - 天文学会 2023

39とりあえずのまとめ
天体の有無によらず、重要な物理は出せる
そのつもりで準備しておけば、天体同定したときには時代を画する成果となる
異文化の異種格闘技戦を楽しんで、世界的な競争に参加しましょう！

Steven Weinberg

ぶ、ぶ、物理Arthur Eddington

Harlow Shapley

融合(変なこともしたけど)Shigeru Yoshida - 天文学会 2023て、て、天文41