X 線天文学と 宇宙の高エネルギープラズマ 名古屋大学 KMI 現象解析研究センター 松本浩典 金沢大学集中講義 1

通常の天文学 ( 乙女座銀河団 ) 2

金沢大学集中講義 X 線でみると … 3

金沢大学集中講義 目で見る世界と X 線の世界 銀河団 = 銀河の集団銀河団 = 数千万度の火の玉 世界観が変わった ! ©SDSS©RASS 4

集中講義の内容 X 線、 X 線放射過程 超新星残骸プラズマ 銀河団プラズマ 天の川銀河中心プラズマ 金沢大学集中講義 5

講義にあたって 金沢大学集中講義 6 講義中の質問、大歓迎です。 スライド中心の講義です。 ペースが早過ぎるときは、 遠慮なく言ってください。

金沢大学集中講義 7 X 線について

電磁波 金沢大学集中講義 8

X線X線 金沢大学集中講義 9 X 線光子 E = 0.1keV ～ 100keV X 線天文学の慣習 軟 X 線 : E 10keV

エネルギーの単位 金沢大学集中講義 10 eV: エレクトロンボルト ( 電子ボルト ) +1V 0V e 1V の電位差で電子を 加速したときに、電 子が得るエネルギー

次元解析 金沢大学集中講義 11 E = hν ～ kT T ～ 10 4 K×[E/1eV]

X線X線 金沢大学集中講義 12 比較 : ボーア半径 0.5 Å X 線は原子と直接相互作用 10 Å 0.1 Å

X 線・ガンマ線と物質の相互作用 金沢大学集中講義 13 炭素原子 1barn= cm 2 X-ray data Booklet 1. 光電効果 2. 弾性散乱 3. コンプトン散乱 4. 対生成

反応の断面積 金沢大学集中講義 14 光にとって、的はどのぐらいの大きさなのか。 反応を起こした光子数は、的の大きさを表す Flux F

断面積 金沢大学集中講義 15

光電効果 金沢大学集中講義 16 γ 光子は消滅。電子飛び出す ( 光電子 ) 。

光電効果 金沢大学集中講義 K edge 光子 E>K edge … K 殻電子飛び出す 17

弾性散乱 金沢大学集中講義 18 γ 光子の E 変化なし。電子飛び出ない。

コンプトン散乱 ( 非弾性散乱 ) 金沢大学集中講義 19 γ 光子 E 減少。電子飛び出る。

コンプトン散乱 ( 非弾性散乱 ) 金沢大学集中講義 20

対生成 金沢大学集中講義 21 γ 光子消滅。電子・陽電子が飛び出る。

対生成 金沢大学集中講義 22

重い荷電粒子 ( 陽子 etc) と物質の相互作用 金沢大学集中講義 23 電離損失 物質を電離しながらエネルギーを失う。

Bethe-Bloch 電離損失公式 金沢大学集中講義 24 定性的導出 W.R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments” もっと厳密な式は、例えば Review of Particle Physics

色々な粒子の電離損失 金沢大学集中講義 25 W.R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments”

その他 重たい荷電粒子 – チェレンコフ放射 入射粒子 V > c/n (n: 物質屈折率 ) 軽い荷電粒子 – 電離損失 軽いのでジグザグ運動。 同種粒子の散乱 ( 電子の場合 ) – 制動放射 金沢大学集中講義 26

宇宙の観測 金沢大学集中講義 27 H.Bradt, “Astronomy Methods” 地球大気による光の減衰

電波の観測 金沢大学集中講義 28 大気減衰なし。ミリ波だと水分子が吸収。

赤外線の観測 金沢大学集中講義 29 水、酸素などの分子が吸収。

可視光の観測 金沢大学集中講義 30 ( 奇跡的に？ ) 大気吸収がない。

紫外線の観測 金沢大学集中講義 31 大気 ( 窒素・酸素など ) による光電吸収

X 線の観測 金沢大学集中講義 32 大気による光電吸収 … 大気圏外で観 測

ガンマ線の観測 金沢大学集中講義 33 大気によるコンプトン散乱

大気圏外での観測 金沢大学集中講義 34 ロケット 高度～ 100km 数 10 分しか観測できない。 人工衛星 高度 >500km ( 例 : すざく衛星 …500km, 1 周 100 分 Chandra … 16000~139000km, 1 周 64 時間 )

Ｘ線天文学のはじまり 金沢大学集中講義 35 X 線天文学は～ 50 歳

1962 年 ASE-MIT のロケット実験 36 Space Science Reviews, 1965, 4, 151 ガイガー カウンター 自転 金沢大学集中講義

太陽系外 X 線源の発見 金沢大学集中講義 37 Sco X-1, Cosmic X-ray Background

金沢大学集中講義 38 X 線放射過程

熱的放射と非熱的放射 熱的放射 : 電子がマクスウェル分布 – 代表例 : 黒体放射、光学的に薄いプラ ズマからの放射 X 線スペクトルに exp(-E/kT) の曲がり 非熱的放射 : 電子が power-law 分布 – 代表例 : シンクロトロン放射 X 線スペクトルも power-law 金沢大学集中講義 39

Specific intensity I(ν, Ω) 金沢大学集中講義 40 単位は、例えば [dE] = erg [I] = erg /cm 2 /s/str/Hz ある面 ( 法線 ) を、ある方向 (Ω) へ通過する光線 ( 振動数 ν) のエネルギー

フラックス 金沢大学集中講義 41 単位は例えば、 [F(ν)] = erg/s/cm 2 /Hz

光度 (Luminosity) 金沢大学集中講義 42 天体が振動数 ν の光で全方向に放射し ているエネルギー。 L(ν) 単位は例えば [L(ν)] = erg/s/Hz

光度とフラックス 金沢大学集中講義 43 フラックス F(ν) L(ν) もし天体が等方的に放射していたら、 L(ν) = 4πD 2 F(ν) 距離 D 多くの場合、等方放射を仮定して、フ ラックスから光度を推定。

金沢大学集中講義 44 熱的 X 線 光学的に厚いプラズマ  黒体放射 光学的に薄いプラズマ  制動放射、特性 X 線

光学的に厚い天体 金沢大学集中講義 45 光子が抜け出てくるまで、何度も物質と衝突。 黒体放射

黒体放射のスペクトル 金沢大学集中講義 46 H. Bradt Astronomy Methods

黒体放射フラックススペクトル 金沢大学集中講義 47 kT=1keV kT=3keV kT=10keV

X 線を出す物体の温度 金沢大学集中講義 48 数百万度以上でないと X 線は出ない。

黒体放射の例 中性子星表面からの X 線 – kT~0.1keV 降着円盤 – 多温度の黒体放射の重ね合わせ 金沢大学集中講義 49

光学的に薄い場合 金沢大学集中講義 50 発生した光子が、そのまま出てくる 熱的制動放射

連続成分 : 熱的制動放射 51 高温のため、プラズ マ状態 電子は、マクスウェ ルボルツマン分布 電子が、イオンの電 場で曲げられて、 X 線 放出 金沢大学集中講義

熱的制動放射 52 Emissivity = 単位体積あたりの放射 率 スペクトル (erg s -1 cm -3 ) (erg s -1 cm -3 Hz -1 ) 詳細は、例えば Rybicki & Lightman “Radiative Processes in Astrophysics” 金沢大学集中講義

定性的理解 金沢大学集中講義 53 Emissivity (erg s -1 cm -3 )

スペクトルの例 金沢大学集中講義 54 kT=1keV kT=3keV kT=10keV

輝線 : 特性 X 線 金沢大学集中講義 55 γ 空席が発生 衝突で励起 光電効果 特性 X 線

輝線 : 特性 X 線 金沢大学集中講義 56 γ 特性 X 線のエネルギー どの殻からどの殻 へ落ちるか。 原子内のその他の 電子の状態

特性 X 線の呼称 金沢大学集中講義 57 ©X-RAY DATA BOOKLET 微細構造も含めて Kα 線 L 殻  K 殻 Kβ 線 M 殻  K 殻 Lα 線 M 殻  L 殻 Lβ 線 N 殻  L 殻 など

電子が出る時もある 金沢大学集中講義 58 空席が発生 衝突で励起 光電効果 オージェ電子

特性 X 線を出す確率 ( 蛍光収率 ) 金沢大学集中講義 59 ©X-RAY DATA BOOKLET Fe Z=26

特に重要な特性 X 線 金沢大学集中講義 keV 線 中性 Fe Kα 線 6.7keV 線 He 状イオン Fe Kα 線 6.9keV 線 H 状イオン Fe Kα 線 Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245 例 : 天の川銀河中心 X 線

どんなイオンになっているか 金沢大学集中講義 61 Seward, F. & Charles. P. “Exploring the X-ray Universe”

二電子性再結合 金沢大学集中講義 62 ν この場合は、ヘリウム状イオンの Kα 線よ り、少しだけエネルギーの低い X 線が出 る。 サテライト線

連続成分 : free-bound 放射 金沢大学集中講義 63 γ 自由電子が捕まった場合

Free-bound 放射 金沢大学集中講義 64 E 0 電子の 運動 E の範囲 E 光子数 -Eb Eb スペクトル 電子の運動 E の範囲 F-B 放射からも温度がわかる。

光学的に薄い高温プラズマの X 線放射 金沢大学集中講義 65 連続成分 制動放射、 FB 遷移 輝線成分 サテライト線なども全て考慮 X 線天文業界でメジャーなプラズマモデルは、 MEKAL 、 APEC 、 Raymond-Smith など。

プラズマ X 線放射モデルのパラメター 金沢大学集中講義 66

太陽組成比の例 金沢大学集中講義 67 X 線天文で良く使う、 Anders & Grevesse Anders E. & Grevesse N. (1989, Geochimica et Cosmochimica Acta 53, 197) ( 代表的なものだけ )

等価幅 金沢大学集中講義 68 E(eV) I ELEL 等価幅 ライン強度 I L erg/s 連続線強度 I C (E L ) erg/s/eV 等価幅 EW = I L /I(E L ) eV

等価幅とアバンダンス 金沢大学集中講義 69 連続成分強度 I C (E L ) ∝ n e n p ライン強度 I L ∝ n e n ion 等価幅はアバンダンスを反映

APEC モデルによる計算例 金沢大学集中講義 70 アバンダンス 1 solar kT=1keV kT=3keV kT=10keV

6~7keV の鉄の特性 X 線あたり 金沢大学集中講義 71 kT=1keV kT=3keV kT=10keV 6.7keV 輝線は、 多くの 微細構造線 サテライト 線 の混合

1keV あたりを拡大 金沢大学集中講義 72 kT=1keV kT=3keV kT=10keV kT=1keV ライン放射 の寄与が大。 主に鉄。

高温プラズマの cooling curve 金沢大学集中講義 73 Seward, F. & Charles. P. “Exploring the X-ray Universe”

光学的に薄い高温プラズマ放射の例 超新星残骸 楕円銀河 銀河団 星のコロナ 金沢大学集中講義 74 などなど、枚挙にいとまがない。

金沢大学集中講義 75 非熱的 X 線 代表例 : シンクロトロン放射

Power-law 型スペクトル 金沢大学集中講義 76 非熱的な放射の場合、電子のエネルギー 分布は power-law 型をしている場合が多い。 power-law を生みだす機構 … 例えばフェルミ加速 Log E Log N E N

シンクロトロン放射 金沢大学集中講義 77 相対論的電子が、 磁場に巻きついて 放射

サイクロトロン振動数 金沢大学集中講義 78 B p ☉ 電子 ωΔt 電子が遅い時 電子が相対論的

シンクロトロン周波数 金沢大学集中講義 79 定性的 詳しくは

粒子の速度が遅いとき ( サイクロトロン放 射 ) 金沢大学集中講義 80 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B t Rybicki & Lightman “Radiative Processes in Astrophysics”

粒子が中間速度 金沢大学集中講義 81 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B

粒子が相対論的 ( シンクロトロン放射 ) 金沢大学集中講義 82 観測者が見る電場 周波数分布 ω/ω B ωc/ωB

電気双極子放射 金沢大学集中講義 83

1 個の電子のシンクロトロン放射 金沢大学集中講義 84

シンクロトロン放射のスペクトル 金沢大学集中講義 85 放射スペクトルも power-law 。 べき Γ : photon index と呼ぶ。

Power-law 放射の定義の違い 金沢大学集中講義 86 業界 ( 波長 ) により定義が違うことがある。

シンクロトロン X 線放射の例 パルサー風星雲 活動銀河核のジェット 超新星残骸 金沢大学集中講義 87 などなど

X 線放射過程は他にもたくさん 荷電交換反応 非熱的電子による低エネルギー光子の 逆コンプトン散乱 熱的電子による低エネルギー光子の逆 コンプトン散乱 非熱的電子による制動放射 電子が Power-law 分布でない非熱的放射 金沢大学集中講義 88 などなど。