超新星残骸を用いた元素合成研究とFORCE衛星による将来展望
高エネルギー現象で探る宇宙の多様性I

Cassiopeia A
2030年代打ち上げ
FORCE衛星G292.0+0.3

Tycho’s SNR

佐藤寿紀 (立教大学) with FORCE collaboration

Credit: NASA/CXC

FORCE衛星 :マルチメッセンジャー時代の唯一の広帯域X線ミッション

FORCE 衛星の科学目標

本日のトピック超新星最深部での元素合成 → 貴重な爆発中心の物理情報
特に、Si 燃焼(NSE, Tpeak > 5.5 GK)で合成される鉄族元素には爆発機構に関連する物理が詰まっている“Nuclear Physics of Stars” より
Ia型

近年(数年)、超新星残骸を使った鉄族元素合成研究が大きく進歩① Ia型超新星

超新→ チャンドラセカール質量付近での電子捕獲過程

星② 重力崩壊型超新星→ α-rich freezeout、ニュートリノ相互作用の検証

超新2019.11.05 基盤Sに採用

星

FORCE衛星は、この鉄帯域(~5–10 keV)で世界一の感度を誇る!!
1010-44

AthenaFORCEXRISMNuSTAR

BGD (ph/s/keV/arcmin2/cm2)

C C型

Chandra1010-55

XMMSuzaku
NuSTAR

1010-66-7
1010 7-81010 8
1CXB
CXB × 20%2FORCE
510
X-ray Energy

205080

日本独自のサイエンスを発展 + マルチメッセンジャー天文学への貢献も期待近年の超新星残骸のX線観測を用いた超新星最深部での元素合成研究① Ia型超新星 → 白色矮星内部での電子捕獲過程 (爆発前のWD質量に関連)
Sub-MCh v.s. Near-MCh SN Ia

Near-MCh WD内部の中性子過剰度

SN Ia 内部の元素組成

Thielemann et al. (1986)

From E. Bravo et al. (2019)

100T ~ 5.7 × 109 K
ρ ~ 4 × 107 g cm–3

T > 8 × 109 K
ρ > 109 g cm–3100Fe

η = 1 – 2Ye
10–1

10–1

Ye = 0.450

NiηCr
10–2~1.1 M⊙~1.4 M⊙

10–2

Ye = 0.495

10–3
Sub-MCh モデルの大部分はDouble Degenerate (DD)Near-MCh モデルの大部分はSingle Degenerate (SD)

観測的な切り分けが難しく、爆発機構も未解明

10–30.0

0.5

M/M⊙

1.0

Ti

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4M/M⊙

Near-MCh SN Ia 中心部では、中性子過剰元素 58Ni (Ye ~ 0.483), 54Cr (Ye ~ 0.444), 50Ti (Ye = 0.44) の合成量が急上昇→ これらの元素の観測から爆発時の最終質量(中心密度)の推定が可能になり、爆発機構の理解にも繋がる
Reference: Yamaguchi et al. (2015), ApJL; Hitomi Collaboration (2017), Nature; Sato et al. (2020), ApJ; Ohshiro et al. (2021), ApJL

近年の超新星残骸のX線観測を用いた超新星最深部での元素合成研究① Ia型超新星 → 白色矮星内部での電子捕獲過程 (爆発前のWD質量に関連)
Ia型超新星残骸内に 54Cr (Ye ~ 0.444), 50Ti (Ye = 0.44) が豊富な爆発中心からの噴出物を発見
3C 397
Cr/Fe Fe Si“典型的”な SN Ia

Cr-rich ejecta

高密度な親星必要

Ohshiro et al. (2021), ApJL

元素組成から中心密度 ~ 5×109 g cm–3 の Near-MCh SN Ia で説明可能 → SN Ia の中心密度推定に初めて成功！
観測的に未知の物理パラメータ(中心密度 = 最終質量)が推定可能になった
Reference: Yamaguchi et al. (2015), ApJL; Hitomi Collaboration (2017), Nature; Sato et al. (2020), ApJ; Ohshiro et al. (2021), ApJL

近年の超新星残骸のX線観測を用いた超新星最深部での元素合成研究② 重力崩壊型超新星 → 超新星エンジン周辺の物理パラメータの推定

爆発中心の重要な物理過程 : ニュートリノ加熱、SASI など → 観測情報がほとんどない
ニュートリノ加熱で生み出される非対称性 (対流)イメージ図
超新星衝撃波高エ

重力崩壊型超新星の元素合成

Si燃焼層(最深部 Tpeak > 5 GK)ン

ト

組成が非常に少ないパラメータで決定

ロ

ピー

上

昇流

Tpeak, ρpeak, Yeと熱的時間進化

加熱
対流

ニュートリノ

元素の組成が決まれば未知の物理パラメータ (エントロピー, Ye) を推定できる放射原始中性子星残骸内の希少元素 (Ti, Cr, Mn, Ni) 観測から、対流型超新星エンジンに関わる物理量を抽出可能
α元素 Ti (= 48Cr) や Cr (= 52Fe) はエントロピーに、中性子過剰元素 (例えば Ni) は Ye に、Mn はニュートリノ元素合成に感度あり
Reference: Sato et al. (2020), ApJ; Sato et al. (2021), Nature; Sato et al. in prep.

近年の超新星残骸のX線観測を用いた超新星最深部での元素合成研究② 重力崩壊型超新星 → 超新星エンジン周辺の物理パラメータの推定
Ye ≤ 0.5
a (n-richejecta)

("!(.&+*!" !%*(&'-" )&#((*"&((&((&%("!+#)

((&((&%("!+#)

+)&#($&#,( (   $&#(Ye > 0.5
b (p-richejecta) !  !  !  ! !  #!" # "$

Fe-rich ejecta !  %


Sato et al. (2021), Nature !

!    ! "

希少元素(Ti, Cr, Fe)観測からニュートリノ加熱由来の高エントロピー上昇流と結論づけた

爆発機構に関わる未知の物理パラメータ (エントロピー, Ye) が推定可能になった
Reference: Sato et al. (2020), ApJ; Sato et al. (2021), Nature; Sato et al. in prep.

FORCE衛星による鉄族元素研究への将来展望
現在、これらの研究が可能になっているのは、Ia型/CC型ともに系内に１サンプルずつのみ
そこで、FORCEの大有効面積 + 低バックグラウンド(現行の1–2桁落ち) + 十分な輝線分解能力を活かしてサンプル増加 (系内だけでなく系外も) ＆ 希少元素マッピング
FORCE 観測スペクトルの予測

Kamitsukasa et al. (2013)

系内 : CC SNR,
G292.0+1.8

例 : 3C 397

10−3

例2

CrMn

系外 : Ia SNR,
DEM L238

例1: 系内で鉄は見えていても、放射が弱く、他の鉄族が見えていないものが多い

例2: 系外(LMC/SMC)超新星残骸はバックグラ

ウンドに埋もれ鉄まで見えていないものが多い

結論: 感度を上げるしか手段がない
10

Energy (keV)

Takeuchi, PhD thesis

バックグラウンド支配的FORCE 300 ks
XMM pn 130 ks

5(鉄が検出されているサンプル < 30 @ 系内&系外)→ 鉄輝線が弱いものが多い (観測の窓が狭い)(+ Fe Kb)

Ti

鉄族の輝線観測はそもそも難しい● 若いと大部分の鉄が加熱されていない● 古いと冷えて、鉄を叩けない

弱い鉄放射

Ni

10−4

Counts/s/keV

0.01

Fe

例1

現状の鉄族観測の問題点→ FORCEで系統的な議論が初めて可能に？

FORCE衛星のマルチメッセンジャー天文学への貢献
2030年代に突発天体の硬X線フォローアップ観測ができる唯一の天文台
突発天体の元素合成と非熱的放射を探るユニークなツール
Kumagai et al. (1993)
FORCE 観測帯域

FORCE が観測出来る核ガンマ線/電子捕獲X線@ 6.4 keV : 56Co → 56Fe decay (56Ni)
鉄の総量の見積もり@ 14 keV : 57Co decay (57Ni)
鉄の総量との比較で内部の Ye 推定@ 68, 78 keV : 44Ti decay
CC型 : 爆発の非対称性/エントロピー
Ia型 : He shell detonation (Double Detonation)
超新星フォローアップ観測で様々な物理情報を取得可能

超新星残骸を用いた元素合成研究とFORCE衛星による将来展望：まとめ● FORCE衛星はマルチメッセンジャー天文学時代の唯一の広帯域X線天文台● 近年、発展が著しい超新星残骸を用いた鉄族元素合成研究において、世界最高感度を誇る● ここ数年で Ia 型超新星の中性子過剰化過程の検証、重力崩壊型超新星の爆発中心部のパラメータ推定が可能になっており、FORCEでは系外のサンプルも含めて系統的に議論できる可能性あり● マルチメッセンジャー時代に、核ガンマ線/電子捕獲X線や硬X線放射のフォローアップ観測に貢献

サイエンス検討に貢献してくださる理論家の方も歓迎します！