第11回高宇連研究会「多波長で探る高エネルギー現象」
早稲田大学 西早稲田キャンパス 2011年8月11日

NASU 1.4GHz Wide-field Survey
における電波トランジェント検出
早稲田大学 大師堂研究室
松村寛夫

早稲田大学 広域サーベイ観測システム

早稲田64素子電波干渉計＇上（那須パルサー観測所＇右（高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

目次

１．Nasu 1.4 GHz Wide-field Surveyの概要
２．電波トランジェントの検出
３．WJNトランジェントの候補天体
４．Source Density
５．結論<Reference>
Matsumura N., et al. 2007, AJ, 133, 1441
Matsumura N., et al. 2009, AJ, 138, 787

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

1. Nasu 1.4 GHz Wide-field Surveyの概要◆Nasu 1.4GHz Wide-field Survey
主鏡：20mφ 球面鏡×8＇30mφ 球面鏡×1（
観測周波数 ：1.4GHz±10MHz
観測範囲 ：＋32°≦δ ≦＋42°
イメージング：直接像合成方式
観測方式 ：ドリフトスキャン方式
・ビームの指向方向を固定
・地球の自転を利用して赤緯方向にサーベイ
観測対象：
変動電波源、トランジェント電波源

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

1. Nasu 1.4 GHz Wide-field Surveyの概要
◆観測戦略
◇目的
空間＆時間次元における広域サーベイ◇方法
2素子干渉計×4ペア＆ドリフトスキャン

 空間次元

2素子干渉計の4ビームを空の異なる4方向＇＝4赤緯ライン（に指向 時間次元

1観測ユニット～2週間＇通常)＇同じエリアを～14回観測（・＋32°≦δ ≦＋42°のサーベイ所要期間～3カ月・4サーベイ／年～4×2週／赤緯ライン・年～4×14回／赤緯ライン・年

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

1. Nasu 1.4 GHz Wide-field Surveyの概要◆観測方法
 2素子干渉計×4ペアのドリフトスキャン
 180°スイッチング◇天体起源の受信フリンジF
φ ：アンテナ間位相差, λ ：波長, θ ：天体の天頂角

天頂角θ の時間変化は観測赤緯δ で決定⇒ 天体起源の受信フリンジFは
波長λ , 観測周波数ν , 帯域⊿ν , 基線長Dおよび観測赤緯δ によって決定

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

1. Nasu 1.4 GHz Wide-field Surveyの概要◇天体起源の受信フリンジF＇つづき（天体起源のフリンジ波形の特徴
・ 観測フリンジ周期＝観測赤緯δ の理論的フリンジ周期・ ビームのエンベロープ◇解析方法(1)観測フリンジ波形の自己相関：自己相関係数の周期と相関係数の算出(2)相関係数のexp(-a-1t)×cos(2π t/T)とのフィッティング：観測フリンジ周期T と時定数a(3)理論的フリンジ周期と観測フリンジ周期の一致性確認(4)時定数aの検証：ビーム半値幅の半分以上か(5)電波強度と赤経・赤緯の算出＇天体起源のフリンジに対して（高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

2. 電波トランジェントの検出◆11個の電波トランジェント＇2004～2006年（
 2004年～2006年に11個＇F1.4GHz≧1Jy（WJNトランジェント
 10個は1日のみ検出、1個は2日にわたり検出δ(J2000.0)
WJN J0200+4142
41 42’WJN J0202+4142
41 42’WJN J0205+4142
41 42’

11個のWJNトランジェント
bPaperFlux Density Detection
Date(J2000.0)~-19~2.7±0.5Jy 2005Feb10 Matsumura et al.(2009)~-19~4.1±0.9Jy 2006Dec24~-19~4.3±0.6Jy 2006Dec26

WJN J0445+4130
WJN J0645+3200
WJN J0951+3300
WJN J1039+3200
WJN J1039+3300
WJN J1043+4130
WJN J1443+3439

41 30’
32 00’
33 00’
32 00’
33 00’
41 30’
34 39’~-3~+13~+51~+61~+61~+60~+65

WJN J1737+3808

38 08’~+30Name

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

~1.8±0.2Jy~1.2Jy~1.8±0.3Jy~1.7Jy~2.2±0.2Jy~1.7±0.2Jy~1.5±0.3Jy~3.0±0.3Jy~1.6±0.2Jy

2005Jan10
2005Mar24
2006Jan12
2005Mar 4
2006Jan18
2005Jan 2
2005Feb13
2005Feb14
2004May20

Matsumura et al.(2007)
Kida et al.(2008)
Niinuma et al.(2009)
Kida et al.(2008)
Niinuma et al.(2009)
Matsumura et al.(2007)
Niinuma el al.(2007)
Kuniyoshi et al.(2007)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

2. 電波トランジェントの検出

WJN J0445+4130 (2005Jan10)
全27日間のうち1日のみ検出

WJN J1043+4130 (2005Jan2)
全27日間のうち1日のみ検出

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

2. 電波トランジェントの検出～4分＇ビーム幅（～2日WJN J0445+4130 (2005Jan10)
検出領域の計3日分のデータ

WJN J1043+4130 (2005Jan2)検出領域の計3日分のデータ

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

2. 電波トランジェントの検出

WJN J0200+4142 (2005Feb10)
全14日間のうち1日のみ検出
11

WJN J0202+4142&J0205+4142 (2005Dec24&26)
各トランジェントとも全19日間のうち1日のみ検出

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

2. 電波トランジェントの検出◇WJNトランジェント＇+41°＜δ ＜＋42°（の特徴① F1.4GHz＞1Jy② 4分≦継続時間＜2日③ 高銀緯～低銀緯まで分布
赤緯＋41°～＋42°ラインの5個のWJNトランジェント
δbPaperName
Flux Density DetectionDate(J2000.0) (J2000.0)~-19
WJN J0200+4142
41 42’~2.7±0.5Jy 2005Feb10 Matsumura et al.(2009)~-19
WJN J0202+4142
41 42’~4.1±0.9Jy 2006Dec24~-19
WJN J0205+4142
41 42’~4.3±0.6Jy 2006Dec26
○

○○

○

○

○

WJN J0445+4130
WJN J0645+3200
WJN J0951+3300
WJN J1039+3200
WJN J1039+3300
WJN J1043+4130
WJN J1443+3439

41 30’
32 00’
33 00’
32 00’
33 00’
41 30’
34 39’~-3~+13~+51~+61~+61~+60~+65

WJN J1737+3808

38 08’~+30○○○○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

~1.8±0.2Jy~1.2Jy~1.8±0.3Jy~1.7Jy~2.2±0.2Jy~1.7±0.2Jy~1.5±0.3Jy~3.0±0.3Jy~1.6±0.2Jy

2005Jan10
2005Mar24
2006Jan12
2005Mar 4
2006Jan18
2005Jan 2
2005Feb13
2005Feb14
2004May20

Matsumura et al.(2007)
Kida et al.(2008)
Niinuma et al.(2009)
Kida et al.(2008)
Niinuma et al.(2009)
Matsumura et al.(2007)
Niinuma el al.(2007)
Kuniyoshi et al.(2007)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◆候補天体の調査
検出位置エラーボックスと強度情報を元に、既知の観測結果と比較
参照元・NASA/IPAC Extragalactic Database

・ HEASARC

・NVSS, FIRST, 4C etc

X線： WJN J0445+4130のみ
ガンマ線： 全WJNが過去に起こったガンマ線バーストに対応
電波： 系外電波源、銀河★位置がマッチする電波源が候補->増光率は18倍以上

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その1： Inter Stellar Scintillation(ISS) ISSによる天体の強度変動
・ 星間物質・電子密度ゆらぎの固有運動による変動≠天体固有の現象
・ コンパクトな系外電波源の一般的ISSによる強度変動幅～平均強度の数10％

MASIVによる5 GHzでのISS。
Lovell, J. E. J. et al. , 2007,
ASPC, Vol. 365, p.279L

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その1： Inter Stellar Scintillation(ISS)＇つづき（ Extreme Scattering Event
・ISSの中でも最大の変動幅～50％数倍＇＜10倍（程度の強度変動はISSの可能性あるが・・・
WJNトランジェントの増幅率＇≧18倍（と一致しない。

Blazar AO 0235+164のESE。
(Senkbeil et al., 2008, AJ,672,
pp. L95-L98)
15高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その2： Pulsar
 受信電波強度の変動
A. HewishらによるPulsarの発見＇1967年（の頃からよく知られている。
(1)パルス間の変動： pulsarに固有の現象(2)数分～数時間以上にわたる変動： ISSによって発生4年間の156MHzでの観測においてpulsarのフラックス密度をモニターした結果。プロットの積分時間～4H。(David J. Helfand et al., 1977, AJ)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その2： Pulsar＇つづき（ PulsarのISSによる 強度変動の特徴
・低周波数＇＜1GHz（で検出・狭帯域＇数MHz（で現れるWJNトランジェント検出における観測周波数1.4GHz±10MHz
積分時間1秒に一致しない。

PSR 0655+64の325MHz帯の観測結果。
(T. J. Galama et al., 1997, A&A)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その3： Flare star 電波領域でのパルス状のフレア
 ピークの強度～100mJyレベル
 パルス状のフレアの継続時間～数秒
WJNトランジェントの継続時間・強度
及び、観測＇偏波情報なし（と一致しないAD Leoの1.4GHzにおけるフレア。
(Kenneth R. Lang et al., 1983, AJ)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その4：X-ray binary, Microquasar
 AndewらによるX-ray binaryからの電波での輻射の検出＇1968年（
 電波領域でも輻射変動＇例（Cygnus X-3
1970年代にはJyレベルのバースト(T. Daishido 1974) を検出。

Cygnus X-3の2001年のアウトバースト。
(E. J. Lindfors et al., 2008, A&A)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その4：X-ray binary, Microquasar＇つづき（GRS 1915+105 のフレアを電波とX線で観測した結果。2 GHz-15 GHz
で～数100mJyのフレアを検出。(R. P. Fender et al., 1999, MNRAS)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その4：X-ray binary, Microquasar＇つづき（ INTEGRAL-ISFRIは最初の4年でLMXB 82個、HMXB 78個を検出
・LMXB 9個、HMXB 7個が| b |＞10°
・| b |MAX, LMXB～38° | b |MAX, HMXB～45°
 WJN J1043+4130(b～+60°)は除外
 X線での候補天体をもつのはWJN J0445+4130＇b～-3°（のみ 他のWJNトランジェントはX線で候補天体ないので除外
WJN J0445+4130はX-ray binary,Microquasarの可能性あり
INTEGRALにおいて最初の4年間に検出された天体の銀河座標における分布。
(A. Bodaghee et al., 2008, A&A)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その5：GRB radio afterglow
 多波長領域において観測。
 電波でのGRB afterglow観測のタイミングはバースト後数日経過。
 電波でのafterglowは増光→ピーク→減光の時間発展 従来の観測における検出強度のピーク値：μ Jy～mJyのレベル
受信強度の点でWJNトランジェントと一致しない。
GRB080319B の追観測による残光の時間経過。
電波での強度はピークでもmJyレベル。
(J. L. Racusin et al., Nature)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その6： Soft Gamma-ray Repeater(SGR)
 SGR：強力な磁場をもつ中性子星
 ガンマ線フレア起因の電波： フレア後、数日経過時点＇100mJy以下（から減衰 時間発展から、電波でのピークはフレアの数日後 ： ピーク強度＜＜Jy 普段は弱いX線源
WJNトランジェントと一致しない

SGR1806-20のフレア(2004Dec)の電波追観測。
(P. B. Cameron et al., 2005)

SGR1900+14(1998 Aug)の電波追観測。
(D. A. Frail, S. R. Kulkarni & J. S. Bloom)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その7：AGN
 WJNトランジェント＇WJN J0445+4130 除く（： | b |＞10°
 短時間で急激に増光から減光：AGNのフレア？
 ガンマ線検出器EGRET によって検出されたガンマ線源の多くはblazar

3個のトランジェント(δ ～+41.7°)の位置エラーボックスと候補天体。
○：銀河，△：系外電波天体，▲：blazar＇B3 0159+418（

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

3. WJNトランジェントの候補天体◇候補天体その7：AGN＇つづき（ AGNはX線領域での輻射と関連がよく知られている
 4個のWJNトランジェント＇WJN J0445+4130 除く（はX線源候補なし

 4個のWJNトランジェントの候補天体：下記の特徴を持つ特殊なAGNの可能性
・普段、電波とX線で非常に弱い輻射
・時折、強い電波フレアを起こす・・・Doppler Boost？
上記特徴を持つ天体でない場合： 新しいタイプのトランジェント電波源の可能性？
WJNトランジェント＇赤緯＋41°～＋42°（の候補天体b
Candidate typeName
Flux Density(J2000.0)~-19
WJN J0200+4142~2.7±0.5Jy AGN (usually faint in X-ray & radio)~-19
WJN J0202+4142~4.1±0.9Jy AGN (usually faint in X-ray & radio)~-19
WJN J0205+4142~4.3±0.6Jy AGN (usually faint in X-ray & radio)○○○

WJN J0445+4130
WJN J1043+4130~-3~+60○○~1.8±0.2Jy~1.7±0.2Jy

X-ray binary/Microquasar
AGN (usually faint in X-ray & radio)高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

4. Source Density◆電波トランジェントの存在密度
 Nasu 1.4 GHz WJN transient＇Matsumura et al. 2009（Aerial density using 9 detections ～8.7×10-7[arcmin-2]
 Sub-mJｙ transient survey in archival data＇Bower et al. 2007)
・VLA 944 epoch archival data (～22 year)
・ 2 epoch survey detection rate = 1.5±0.4 [deg-2], Flux＞370μ Jy・ 2σ upper limit ～6 [deg-2], Flux＞90μ Jy, Year-long transients～1.9[deg-2], Flux＞200μ Jy, 2 months transients
 Allen Telescope Array Twenty-centimeter Survey (ATATS)・12 epoch survey at 1.4 GHz
・Upper limit of 2 epoch rates using Non-detection in ATATS, reported inATATS-I (Croft & Bower et al. 2010), ATATS-II (Croft & Bower et al. 2011)
Properties of ATATS-IICenterBand
Effective Separation Survey Integration
Observation
Frequency Width
Epochof Epochs Area
TimePeriod
[MHz]
[MHz]
(good data)[day][deg2] [minute]1430
104.9 2009 Jan- Apr
111-40564～2 aa

1minute (6×10s scans) in ATATS-I

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

4. Source Density
S. Croft, et al., 2010, arXiv:1102.2227v1ATATS－II高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

4. Source Density◆ATATSとのSource Densityの比較
ATATSと同一の定義にてWJN transientのSource Densityを算出・比較◇定義
2 epoch rate R by S. Croft et al.(2010), Bower et al.(2007, 2010)
R= Nt / (Ne-1) A
Nt ： number of transients,
Ne： number of epochs,
A ： coverage area, deg2 (peak flux density of transients > S )◇計算方法
 3種のレート R ＇95% upper limit, 95% lower limit, 検出数（を算出 95% limitsとして N. Gehrels (1986)のsingle-sided limitの表を利用∑x λux e-λu / x! = 1 – CL, x = 0, 1, ・・・, n,∑x λlx e-λl / x! = CL,x = 0, 1, ・・・, n-1, n≠0
λu: upper limit, CL: confidence level, n: number of detection
λl : upper limit
 Non-detection(n=0)の観測では Nt＝ λ u＝2.996≒3 (CL=0.95：95%)

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

4. Source Density◇結果
2 epoch rate R = Nt / (Ne-1) A,for transients with peak flux S, timescales of minutes to days
Name

Parameters of ATATS-II
Observation Period Ne A[deg2] Detection

95% λuATATS-II2009 Jan-2009 Apr2.996

11564095% λlParameters of Nasu 1.4GHz Wide-field Survey at 41°≦δ≦42°
Name
Observation Period Ne A[deg2] Detection 95% λu 95% λlUnit 1

2004 Dec-2005 Jan27269.62

26.296

0.818

Unit 2

2005 Jan-2005 Feb

14269.62

14.744

0.355

Unit 32006 Dec-2007 Jan

19269.62

26.2960.818

2 epoch rates of ATATS and Nasu 1.4 GHz Wide-field Survey at 41°≦δ≦42°
Name
95% upper limit R 95% lower limit R R based on detection Peak flux S [mJy]ATATS-II

5.31×10-4

Unit 1

8.98×10-4

1.17×10-4

2.85×10-4

S≧1000

Unit 2

1.35×10-3

1.01×10-4

2.85×10-4

S≧1000

Unit 3

1.30×10-3

1.69×10-4

4.12×10-4

S≧1000S≧232

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

4. Source Density
S. Croft, et al., 2010, arXiv:1102.2227v1

ATATS－II

高宇連 第11回研究会/ NASU1.4GHz Wide-field Surveyにおける電波トランジェント検出

5. 結論◆NASU 1.4GHz Wide-field Surveyにおいて2004～2006年に11個のWJNトランジェントを検出◇+41°＜δ ＜+42°のWJNトランジェント5個の候補天体タイプ：
1個(| b |～3°)：X-ray binary/Microquasar
4個(| b |～19°，60°（：
普段はX-ray & radioで弱い輻射のAGN◇WJNトランジェントのSource Density(2epoch rate) R [deg-2] ：WJNトランジェントが検出された観測ユニットを用いた場合
2.85×10-4 ≦ R ≦ 4.12×10-4 ＇＜5.31×10-4 in ATATS-II（★検出されなかった観測ユニットを含め、これまでの全蓄積データを用いれば、Rはさらに低下の見込み⇒定義・仮定を精査・検討⇒電波トランジェントサーベイのための確率論的な検討