ガンマ線天文学の課題と今後への期待：理論的観点から
２０１５年天文学会秋季年会企画セッション「ガンマ線天文台CTA で切り拓く次世代の高エネルギー天文学」
２０１５年９月９日
高原文郎（阪大）

ガンマ線天文学の主要課題• 宇宙線の起源– SNR– 星間雲、通常銀河、銀河団、背景放射• 相対論的ジェットの物理– AGN, GRB, Pulsar & Pulsar Wind,,,• 暗黒物質探査宇宙線の起源

From Letessier-Sevon & Stanev 2011
RMP 83, 907

銀河宇宙線の理解
源
 加速
 伝播

超新星残骸
衝撃波統計加速磁気乱流との散乱、二次粒子生成

 理論の展開 衝撃波加速理論
 無衝突衝撃波、非線形構造、磁場増幅、中性粒子の役割、電子と陽子、時間依存性、閉じ込めと解放、、、

 観測的検証 宇宙線直接観測の新展開
 ガンマ線観測による間接的検証
超新星残骸や星間空間での宇宙線の存在の様子

図１(a)超新星残骸(SNR)(b)流体スケール~1016cm~1019cm(c)粒子（運動論的）スケール~1010cm

Figure 3 from Observations of the Young
Supernova Remnant RX J1713.7–3946
with the Fermi Large Area Telescope
A. A. Abdo et al. 2011 ApJ 734 28
doi:10.1088/0004-637X/734/1/28

Hadronic vs Leptonic
Maximum energy far below the knee

Bartoli et al.
Ap.J 806:20 (2015)

Adriani et al. Science 332, 69(2011)
Proton and helium absolute
fluxes measured by PAMELA
above 1 GeV per nucleon,compared with a few of theprevious measurements (16–24).

Positron excess

AMS homepage

Anti-proton excessImplications (1)1. 源の供給スペクトルに折れ曲がりがある？
– 非線形理論

2. 源が２種類ある？(Tommasseti & Danato ApJ 803 (2015) L15)
– Soft sources ( 数100GeV以下） Old SNRs?
– Hard sources (数100GeV以上) Young SNRs?
– Knee energy まで加速する源は？

3. 宇宙線伝播機構が異なる？
(Aloisio &Blasi JCAP07 (2013) 001)

– 低エネルギーでは self-excited Alfven waves– 高エネルギーでは external MHD turbulenceImplications (2)• 源での２次粒子生成– 物質通過量星間物質

𝐸𝐸 −𝛿𝛿
~1g cm−2GeV𝜏𝜏−2𝑛𝑛𝑚𝑚𝑝𝑝 𝑐𝑐𝜏𝜏~10−2gcm
源105 𝑦𝑦𝑦𝑦– １次粒子のエネルギーがTeV以上では源（Old SNRs）での寄与が卓越する可能性– ２次粒子スペクトルは高エネルギー側でhardになる• Old SNRsの電磁波観測で検証できるか？
– ２次電子陽電子の高エネルギースペクトルの検証– 宇宙線はどの時期にSNRから逃れるのか？

相対論的ジェット

NRAO gallery相対論的ジェットの理解 形成機構 BH電磁気学
 組成（BH磁気圏への粒子注入）
 バルク加速

 散逸機構 内部衝撃波、再収束衝撃波、磁場再結合
 粒子加速（DSA、フェルミ２次加速、、、）

 観測的検証 ブレーザースペクトルの多成分性
ハドロン成分は見えるか？

 AGN Unification

ブレーザー以外のAGNの観測

McKinney (2006) M.N. 368, 1561
jet

wind

coronadisk
r≤104rg
A: density
B: Mag. Fieldr≤102rg
A: density
B: Mag. Field

Komissarov, Barkov, Vlahakis & Konigl(2007) M.N. 380, 51𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙:𝛤𝛤𝛤𝛤 𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤 𝐵𝐵 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓right:
𝛤𝛤 𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤 𝑗𝑗 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

ジェット形成の理解の進展• 軸付近の真空領域（EM field dominated）の存在• 物質注入（電子陽電子対、相対論的中性子 (Toma & FT 2012 ApJ 754, 148）
• 外圧による閉じ込め– 軸付近は高密度低速領域– 表面付近を除く主要領域で「希薄波加速」が起こる• M87の1.3mm VLBI観測 (Doeleman et al. 2012 Science 338, 335）
– 5 − 10𝑟𝑟𝑆𝑆 サイズを分解– この領域のシンクロトロン自己吸収解析は 𝑈𝑈𝐵𝐵 ≫ 𝑈𝑈𝑒𝑒 を示す(Kino, FT et al. 2015 ApJ 803, 1）

Blazar spectra (1)• 基本的にはLeptonic scenario Synchrotron+Comptonで説明できる• ガンマ線スペクトルや電子スペクトルは単純な「衝撃波加速＋冷却」 ではフィットできない例が多々ある• 電子の最大エネルギがー理論予測より数桁小さい(S.Inoue & FT 1996)• ２次フェルミ加速の可能性？
• Log-parabolicの方がフィットがよい場合が多い– これは２次フェルミ加速を意味するか？
– この関数形は加速素過程のグリーン関数に対応している– むしろ、インジェクション過程の非連続性を示唆するのでは？

岩清水修論（２００２）
Shock acc.+cooling

Asano et al. (2013) Ap.J.
A specific multi-zone;
2-nd Fermi acc.
Injection history dependentKakuwa et al. MN (2015)
one-zone; 2-nd Fermi; diffusive escapeBlazar spectra (2)• 陽子が含まれていればこれも加速されるのが自然• Hadronic componentは見えるか？
– Photo-meson production + cascade
𝑝𝑝 + 𝛾𝛾 ⟶ 𝑝𝑝(𝑛𝑛) + 𝜋𝜋 0 𝜋𝜋 +– Bethe-Heitler + electron/positron synchrotron
𝑝𝑝 + 𝛾𝛾 ⟶ 𝑝𝑝 + 𝑒𝑒 + + 𝑒𝑒 −• Cons: 断面積が小さい。閾値が大きい。
• Pros: 陽子はより高エネルギーまで加速されうる。
エネルギー密度も電子より大きくてよい。
• Secondary electrons/positronsはPrimary electronsより高エネルギーにインジェクションされる• Secondary electron/positronによるシンクロトロン放射やコンプトン散乱成分は見えるか？

Petropoulou, and A. Mastichiadis MNRAS 2015;447:36-48

まとめ（１）宇宙線の起源• ＳＮＲ– Leptonic/Hadronicの切り分け– 年齢、環境によって加速される宇宙線はどう異なるか？
• knee energy CRはどこで生成されるか？

– 源内部で生成される二次粒子の寄与の程度• 𝑒𝑒 ± 、𝑝𝑝̅ 異常問題

– 源周囲と星間空間での伝播過程• Spectral break と 非等方性の起源、CR generated MHD waves• Galaxies, Clusters & Background– 宇宙線の普遍性– CRs above the knee energy, ICECUBE neutrinos との関連

まとめ（２）相対論的ジェット• 多成分の切り分け– Internal shocks/recollimation shocks– Leptonic/hadronic• ガンマ線にハドロン起源成分が見えるか？

• 粒子加速過程– DSA, 2-nd Fermi, B-reconnection– Log-parabolic spectrumの意味• Impulsive injection• ジェットの起源– 理論の進展 BH電磁気学の理解が進む– M87 EHT Horizonスケールの分解