超高エネルギー宇宙線の起源：
GRBアウトフローの元素合成	

柴田 三四郎 (甲南大学)
共同研究者： 冨永 望 (甲南大学、IPMU)
2011年8月11日 高宇連研究会＠早稲田大学

目次	
• 導入	
– 超高エネルギー宇宙線、ガンマ線バースト	• 計算方法とモデル	
– 計算方法、初期組成	

• 結果	
– 時間進化、平均質量数	

• 議論	
• まとめ	
2011/08/11	

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導入	

2011/08/11	

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超高エネルギー宇宙線(Ultra High Energy Cosmic Rays:	UHECRs)	

• E＞
eVの宇宙線	
• 起源は分かっていない	

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(Auger 2010)	

(Cronin 1999)	

3	

超高エネルギー宇宙線の原子核組成	

(Auger 2010)	

(HiRes 2010)	

• Auger (左)の結果を再現するには 	– 加速源において多量の重元素が含まれていなければならない (Hooper & Taylor 2010)	
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加速源の候補	
• 活動銀河核 (AGN) ?
– Metallicity は典型的には 〜5Zsun (〜10%; e.g. Nagao+06)	
– Augerの結果を再現するのは難しそう	• ガンマ線バースト(GRB)s?
– Long GRBは重力崩壊型超新星爆発と関係している	
– 金属がたくさん含まれているかも	

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ガンマ線バースト(GRB)	
• Prompt emission(Amati et al.
2009)	

–秒 	– 	
– 硬X線 〜ガンマ線	

• Afterglow 	– Prompt emissionの後– Power-law で時間進化	– X線、可視光、電波など	

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GRBにおけるUHECRの加速	
• 内部衝撃波  prompt emission?
• 外部衝撃波  afterglow
これらの衝撃波において陽子や原子核をUHEにまで加速できる(e.g., Waxman 95, Vietri 95, Wang et al. 08, Murase et al. 08)�ただしPrompt emissionの放射メカ
ニズムはまだよく分かっていない

e.g.,• 磁場モデル(Zhang& Yang. 2010, etc )• 光球モデル(Beloborodov 2010,etc )2011/08/11	

(from Piran 2003)	

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GRBジェットの原子核組成	
• GRBジェット中に重元素は含まれ得るか? 	
• 考えられるシナリオとしては 	
1. ジェット中で合成される	
2. 最初から含まれている	
3. 途中で混ざる	

2011/06/07	

8	GRBジェットの原子核組成	
• Lemoine 02, Pruet+02, Beloborodov 03– GRBジェットでの元素合成	
– 最初、陽子と中性子のみから計算	
– 軽元素(d,He,etc..)が出来る。	
重元素は出来ない。	

(Beloborodov 2003)	

最初は本当に陽子と中性子のみ？	
重元素が含まれていたらどうなる？	

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計算方法とモデル	

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計算方法	• GRBアウトフローを定常、球対称として計算	• 磁場、磁場の散逸を(手で)入れる (重力は無視)	
質量保存	
運動量保存	
エネルギー保存	磁場の発展方程式	
磁場の散逸の時間スケール	
状態方程式	
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モデルパラメーター	• モデルパラメーター	

(from Piran 2003)	

– エネルギー注入率:	
– ジェットの初期半径:	
– 初期のローレンツ因子:	
– 最大ローレンツ因子:	
– 中心天体の角振動数:	
– 磁場のパラメータ: 	

→密度、温度の時間進化	
→原子核反応計算	
2011/08/11	12	初期組成	
• ジェット状爆発で降着した物質 	
• 爆発のパラメーターは	(Tominaga 2009)	

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結果	

2011/08/11	

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原子核組成の時間進化	•,,,(磁場なし)	

,	• 重元素は壊れる、軽元素のみ残る。	
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原子核組成の時間進化	
•,,,(磁場有り)	

,	• 初期組成が残る	
2011/08/11	

16	

平均質量数	,,	重元素が多量に含まれ得る！	

QSEの条件が満たされるかどうか
Quasi Statistical Equilibrium	(Woosley et al. 1973)	

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2011/06/07	

18	

GRBジェットの原子核組成	
• GRBジェット中に重元素は含まれ得るか？	
• 考えられるシナリオとしては 	
1. ジェット中で合成される	
2. 最初から含まれている	
3. 途中で混ざる	軽元素のみ合成可能	

2011/06/07	

19	

GRBジェットの原子核組成	
• GRBジェット中に重元素は含まれ得るか？	
• 考えられるシナリオとしては 	
1. ジェット中で合成される	
2. 最初から含まれている	
3. 途中で混ざる	
GRBジェットが磁場で加速されるなら、重元素は残り得る	
2011/06/07	

20	

GRBジェットの原子核組成	
• GRBジェット中に重元素は含まれ得るか？ 	
• 考えられるシナリオとしては 	
1. ジェット中で合成される	
2. 最初から含まれている	
3. 途中で混ざる	？	

ジェットと星との間の不安定性が、成長するかどうかによる	(Zhang et al. 2003)	
2011/06/07	

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まとめ	

2011/08/11	

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まとめ	
• GRBジェットが最初、多量の重元素を含んでいたと仮定し、最終的なジェット中の原子核組成を求めた。	
– 標準的なファイアボールモデルにおいては、重元素は残らず、軽元素のみしか残らない。	
– しかし、ジェットが磁場で加速される様な場合には重元素は残り得る。→Augerの結果を再現できるかも	• ジェットと星との相互作用で重元素が混ざる可能性もある→今後の課題	

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2011/08/11	24	

Possible candidates	
• A few astronomical objects have been
proposed to be an accelerating site of(Kotera & Olinto 2011)	
UHECRs.
– AGN, GRB, etc

Arrival directions of UHECRs(The Pierre Auger Collaboration 2010)	

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Nuclear Composition of UHECRs	
• To reproduce Augerʼs result---– UHECRs should be mainly constituted fromintermediate mass nuclei with a considerable
fraction of heavy nuclei (e.g., N 90% and Fe10%)

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(Hooper & Taylor 2010)	
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Outflow Dynamics	

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Cooling Radius

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