第１９回理論懇シンポジウム 2006年12月27日（水） 於立教大学

直接観測に基づく宇宙プラズマ物理学研究の現状：
超低〜超高エネルギー粒子天文学の登場

寺沢敏夫(東工大・理)第１９回理論懇シンポジウム 2006年12月27日（水） 於立教大学

直接観測に基づく宇宙プラズマ物理学研究の現状：
超低〜超高エネルギー粒子天文学の登場

寺沢敏夫(東工大・理)粒子天文学(Particle Astronomy/Astrophysics)とは?
普通の天文学…地球外から飛来する光子を用いた宇宙現象の認識を対象とする学問
粒子天文学→地球外から飛来する物質粒子を用いた宇宙現象の認識を対象とする学問
既存の名称: Astroparticle physics「宇宙素粒子物理学」の意味で使われている。
ここでいう「粒子天文学」はそれも含むが、“素粒子”に限らず、もっと通常の物質も考える。

‘粒子天文学’の発祥: どこまで遡るか?
流星: 地球外起源のダスト粒子が地球大気に突入して発光する現象…天文現象としての認識 19世紀半ば以降
Schiaparelliによるしし座流星群とテンペル彗星の関連の確立
惑星間空間ダストの供給源としての彗星…近年の進展: 流星の数%は太陽系外起源?

追加的話題

守備範囲→荷電粒子の物理学 →宇宙プラズマ物理学
宇宙線粒子の発見… 大気の電離源としてHessにより同定された…1912
主成分は陽子、10%程度の重粒子(He,CNO,Si,Mg,Fe,…)、 1%程度の電子
1015eV程度まで: 超新星起源…1977-1978:衝撃波起源論の確立
1015eV以上は未解明

太陽からの粒子放射の発見
高エネルギー太陽宇宙線の発見(〜数GeV)
太陽風プラズマ(数十eV-数keV)…1940年代…1958 Parkerによる理論的予言…1960年代初め:観測による証明
太陽起源中性子の発見(数百MeV-数GeV)…1980年代初め↑太陽フレアに伴って加速された核子の核反応の産物

ニュートリノ天文学の開始
太陽ニュートリノ問題の発見(Davis)とその解決
超新星1987A(太陽フレアでの一連の核反応で発生する筈のニュートリノも探索されているが未同定)

宇宙プラズマ物理学
1eV

1keV

100MeV

1MeV

太陽風プラズマ
電子

陽子
準熱的粒子

太陽宇宙線

超新星残骸のプラズマ、銀河団のプラズマなどの例を考えても、エネルギー範囲はあまり変わらない。
(井上さんのreview)

1021eV宇宙プラズマ物理学
1eV

1keV

100MeV

1MeV

1021eV

太陽風プラズマ
電子

陽子
準熱的粒子

太陽宇宙線

超低エネルギー‘粒子天文学’=宇宙プラズマ物理学は超新星残骸のプラズマ、この全域、20桁に及ぶ範囲をカバー(すべき/したい)銀河団のプラズマなどの例を考えても、エネルギー範囲はあまり変わらない。
(井上さんのreview)

超高エネルギー

直接観測に基づく宇宙プラズマ物理学研究の現状：
超低〜超高エネルギー粒子天文学の登場宇宙プラズマ物理学
1eV

1keV

1MeV

勿論、右辺はいつも無視できる訳ではない
collision項 →radiation, etc.
source/loss項 →電離過程・再結合過程

太陽風プラズマ電子

1021eV

100MeV陽子

右辺=0の無衝突近似から出発し、必要に応じ補正する立場

準熱的粒子

太陽宇宙線
パルサー、オーロラ粒子加速
支配方程式: Vlasov方程式系
Collisionless Boltzmann eq.
Maxwell eqs.

,
サイクロトロン共鳴相互作用ΩCj=qjB/mjcγ
衝撃波統計加速における散乱過程を支配
例: 熱的〜準熱的粒子のエネルギー→UHECRへ輸送(ボトムアップシナリオ)

宇宙プラズマ物理学
Vlasov方程式から出発。宇宙線粒子の分布関数に注目。
100MeV1021eV
1eV
1keV
1MeV
→移流・拡散方程式(Convection-Diffusioneq.)
太陽風プラズマ
電子

陽子

勿論、右辺はいつも無視できる訳ではない
collision項 →radiation, etc.
Dsource/loss項 →電離過程・再結合過程

右辺=0の無衝突近似から出発し、拡散係数Dはサイクロトロン共鳴条件Ω
Cj=qjB/mjcγを満たす
必要に応じ補正する立場
アルフェン波(MHD乱流)が決める。
太陽宇宙線
準熱的粒子

パルサー、オーロラ粒子加速
支配方程式: Vlasov方程式系
Collisionless Boltzmann eq.
Maxwell eqs.

,
サイクロトロン共鳴相互作用ΩCj=qjB/mjcγ
衝撃波統計加速における散乱過程を支配
例: 熱的〜準熱的粒子のエネルギー→UHECRへ輸送(ボトムアップシナリオ)

衝撃波統計加速: Blandford and Ostriker理論

衝撃波統計加速: Blandford and Ostriker理論
spatial profile
λ= D/u1exp(X/λ)

differential momentum spectrum

f(p)・p2 ∝p-q
with q=(r+2)/(r-1),
r: compression ratio
宇宙線のエネルギースペクトルE-2.7が自然に説明された!

宇宙プラズマ物理学
1eV

1keV

100MeV

1MeV

太陽風プラズマ
電子

陽子
準熱的粒子

太陽宇宙線

直接観測可能:衝撃波統計加速理論の超新星残骸のプラズマ、検証の舞台:
銀河団のプラズマなどの例を考1970年代末〜1980年代前半
えても、エネルギー範囲はあまり最近の寄与:変わらない。
(cf.
井上さんのreview)非線形効果の観測的証拠

電子加速とイオン加速1021eV宇宙プラズマ物理学
1eV

1keV

100MeV

1MeV

1021eV

太陽風プラズマ
電子

陽子
準熱的粒子

太陽宇宙線

直接観測可能:衝撃波統計加速理論の超新星残骸のプラズマ、検証の舞台:
銀河団のプラズマなどの例を考1970年代末〜1980年代前半
えても、エネルギー範囲はあまり最近の寄与:変わらない。
(cf.
井上さんのreview)
非線形効果の観測的証拠

電子加速とイオン加速

衝撃波統計加速の観測的証拠

宇宙プラズマ物理学

支配方程式: Vlasov方程式系
Collisionless Boltzmann eq.
Maxwell eqs.

,

Vlasov方程式の ∂ n= −∇ ⋅ (n u )
モーメント
∂t
↓∂u
∇P J × B()=−u⋅∇u−+1流体MHD方程式系∂tnn∂P= − (u ⋅ ∇ )P − γ P (∇ ⋅ u )∂t∂B= ∇ × (u × B ) + η ∆ B , J = ∇ × B
∂t

電気抵抗:
２体衝突起源ではなく、波動・粒子相互作用による“異常抵抗”であるとする。

MHD過程の代表例:
磁気リコネクション
天体プラズマ太陽コロナ・フレア
磁気圏
地上プラズマに共通する物理過程

反平行磁場

磁場エネルギー解放

白丸・黒丸：プラズマ

MHD過程の代表例:
磁気リコネクション
天体プラズマ太陽コロナ・フレア
磁気圏
地上プラズマに共通する物理過程

反平行磁場
太陽風中のリコネクション

磁場エネルギー解放

リコネクションにおけるHall電流効果
KH不安定性とリコネクション
More about reconnection→新田さんの講演

白丸・黒丸：プラズマ

宇宙プラズマ物理学→“粒子天文学”的観点の話題
1eV

1keV

100MeV

1MeV

1021eV

太陽風プラズマ
電子

陽子
準熱的粒子

太陽風終端衝撃波の同定

太陽宇宙線

極近傍星間物質(VLISM) Heの検出
VLISMの構造—数十TeV宇宙線による観測
星間空間ダストの直接観測

超新星残骸のプラズマ、銀河団のプラズマなどの例を考えても、エネルギー範囲はあまり変わらない。
(cf. 井上さんのreview)

Final remark
佐藤文隆氏の提唱：「地文台」によるサイエンス
宇宙観測はますます巨大な観測施設を必要としている。さらにハイテクの進歩で宇宙地球の観測技術が長足に進歩している。一方、社会的には気候変動のような環境問題に関心が高まりおおきな政治・国際・経済・文化問題になっている。この二つの課題を結びつけるのが地文台の構想である。地球を宇宙から詳細に観測することによって微弱な地球現象の観測が他の手段で不可能な宇宙の情報をえることが出来る。すなわち、地球全体を宇宙観測装置として使うという発想である。このようにして地球と宇宙への関心を結びつけることによって、環境への環境教育にも貢献できるものと考える。

宇宙観測の精密化（低バックグラウンド追求)→環境モニタ
地球環境観測の精密化：宇宙からのシグナル検出

Final remark
佐藤文隆氏の提唱：「地文台」によるサイエンス
宇宙観測はますます巨大な観測施設を必要としている。さらにハイテクの進歩で宇宙地球の観測技術が長足に進歩している。一方、社会的には気候変動のような環境問題に関心が高まりおおきな政治・国際・経済・文化問題になっている。この二つの課題を結びつけるのが地文台の構想である。地球を宇宙から詳細に観測することによって微弱な地球現象の観測が他の手段で不可能な宇宙の情報をえることが出来る。すなわち、地球全体を宇宙観測装置として使うという発想である。このようにして地球と宇宙への関心を結びつけることによって、環境への環境教育にも貢献できるものと考える。

宇宙観測の精密化（低バックグラウンド追求)→環境モニタ
地球環境観測の精密化：宇宙からのシグナル検出

宇宙観測の精密化（低バックグラウンド追求)→環境モニタ(昨日の北本さんのreview)
X線天文衛星「すざく」の太陽風重イオン(特性X線）観測(9月の物理学会講演より。c.f. PASJ 2007）

その１： 「すざく」衛星による 73P/Schwassmann-Wachmann 3 彗星の観測
江副 祐一郎 (宇宙研)、伊藤 真之 (神戸大)、浦田 裕司 (埼玉大)、菊池 温子 (神戸大)、Caroline Kilbourne (NASA/GSFC)、幸村 孝由 (工学院大)、常深 博 (大阪大)、坪井 陽子 (中央大)、濱口 健二 (NASA/GSFC)、半谷 雅志 (中央大)、Greg Brown(LLNL)、Scott Porter (NASA/GSFC)、前田 良知 (宇宙研)、他「すざく」チーム

その２： X線天文衛星「すざく」がとらえた太陽風の電荷交換反応による輝線放射(accepted by PASJ, astroph/0609308)
藤本龍一1, 満田和久1, D. McCammon2, 竹井洋1, M. Bauer3, 石崎欣尚4,F. S. Porter5,
山口弘悦6, 林田清7, 山崎典子1, 他, 「すざく」チーム
1: JAXA宇宙科学研究本部, 2: Wisconsin大, 3: MPE, 4: 首都大理, 5: NASA/GSFC, 6: 京大理, 7: 阪大理

宇宙観測の精密化（低バックグラウンド追求)→環境モニタ(昨日の北本さんのreview)
X線天文衛星「すざく」の太陽風重イオン(特性X線）観測(9月の物理学会講演より。c.f. PASJ 2007）

その１： 「すざく」衛星による 73P/Schwassmann-Wachmann 3 彗星の観測
江副 祐一郎 (宇宙研)、伊藤 真之 (神戸大)、浦田 裕司 (埼玉大)、菊池 温子 (神戸大)、Caroline Kilbourne (NASA/GSFC)、幸村 孝由 (工学院大)、常深 博 (大阪大)、
坪井 陽子 (中央大)、濱口 健二 (NASA/GSFC)、半谷 雅志 (中央大)、Greg Brown(LLNL)、Scott Porter (NASA/GSFC)、前田 良知 (宇宙研)、他「すざく」チーム

その２： X線天文衛星「すざく」がとらえた太陽風の電荷交換反応による輝線放射(accepted by PASJ, astroph/0609308)
藤本龍一1, 満田和久1, D. McCammon2, 竹井洋1, M. Bauer3, 石崎欣尚4,F. S. Porter5,
山口弘悦6, 林田清7, 山崎典子1, 他, 「すざく」チーム
1: JAXA宇宙科学研究本部, 2: Wisconsin大, 3: MPE, 4: 首都大理, 5: NASA/GSFC, 6: 京大理, 7: 阪大理

その２： X線天文衛星「すざく」がとらえた太陽風の電荷交換反応による輝線放射(accepted by PASJ, astroph/0609308)
藤本龍一1, 満田和久1, D. McCammon2, 竹井洋1, M. Bauer3, 石崎欣尚4,F. S. Porter5,
山口弘悦6, 林田清7, 山崎典子1, 他, 「すざく」チーム
1: JAXA宇宙科学研究本部, 2: Wisconsin大, 3: MPE, 4: 首都大理, 5: NASA/GSFC, 6: 京大理, 7: 阪大理

すざくが見た｢北天」は磁気圏カスプを通してのもの

陽子フラックス

C+6
O+７太陽風密度

Final remark
佐藤文隆氏の提唱：「地文台」によるサイエンス
宇宙観測はますます巨大な観測施設を必要としている。さらにハイテクの進歩で宇宙地球の観測技術が長足に進歩している。一方、社会的には気候変動のような環境問題に関心が高まりおおきな政治・国際・経済・文化問題になっている。この二つの課題を結びつけるのが地文台の構想である。地球を宇宙から詳細に観測することによって微弱な地球現象の観測が他の手段で不可能な宇宙の情報をえることが出来る。すなわち、地球全体を宇宙観測装置として使うという発想である。このようにして地球と宇宙への関心を結びつけることによって、環境への環境教育にも貢献できるものと考える。

宇宙観測の精密化（低バックグラウンド追求)→環境モニタ
地球環境観測の精密化：宇宙からのシグナル検出

Inan et al.,10kpc（〜3万光年）離れたSGR(soft gamma repeater)の巨大フレア*で発生したX〜γ線の照射*正体は超強磁場中性子星における磁場エネルギー解放(磁気嵐!)と考えられている

低周波電波回線(〜20kHz, ハワイ→北米）の異常吸収増加

電離層吸収パターンは大気圏外で観測されたX〜γ線のプロファィルと瓜二つ（裏返し）である

2004/12/27 event
SGR1900+14
28 August 1998

Terasawa et al., 2005

SGR1806-20
27 Dec 20042004年のイベントは1998年のイベントの約100倍程度強かった(ピーク約10倍、 継続時間約10倍)↓
天文衛星のX〜γ線観測器は軒並みサチった。一方､Geotailプラズマ計測
器は硬X〜γ線に対する感度が低く（10万分の1以下!)、ピーク波形の観測に成功。

直接観測に基づく宇宙プラズマ物理学研究の現状：
超低〜超高エネルギー粒子天文学の登場
衝撃波統計加速の観測的証拠
宇宙プラズマ物理学の観点から
太陽風中のリコネクション
リコネクションにおけるHall電流効果
KH不安定性とリコネクション

粒子天文学の観点から
太陽風終端衝撃波の同定
極近傍星間物質(VLISM) Heの検出
VLISMの構造—数十TeV宇宙線による観測
星間空間ダストの直接観測

付録: 「地文台」によるサイエンス

1996年 ROSAT衛星→百武彗星からの軟X線 (Lisse et al. 1996)
15の彗星からのX線検出 LX〜1014-16 erg/s (<1 keV)
太陽風の重イオン(C,N,Oなど)の電荷交換説が有力
軟X線の高精度分光で検証→ 「すざく」衛星搭載裏面照射型 X線CCD XIS1
73P/Schwassmann-Wachmann 3 彗星

O6+
O7+

H2O

X線輝線

核テール

太陽風
太陽光コマ

73P/Schwassmann-Wachmann 3 彗星
0.2-0.8 keV

2-10 keV「イベント時刻、CCD位置から座標を計算 (日大 根来さん
dynsky プログラム)」

25’=105 km

太陽30’=105 km

5/7, 5 ksec
5/13, 25 ksec
<1 keV バンドと2-10 keVで違い

10’=105 km

6/7, 33 ksec
<1 keV バンドに広がった天体Φ10’重イオンのラインX線のある低エネルギー部分にのみ顕著

73P/Schwassmann-Wachmann 3 彗星

「すざく」軟X線観測

2006/6/70.2-0.8 keV

ACE

020

406080100

時間 [ksec]

共回転構造によるｄｅｌａｙで説明〜1日の遅れC+6増大