宇宙科学研究本部 中澤 知洋 深沢泰司(広大理)、牧島一夫(東大理)、ほか 銀河団 非熱的な現象を求めて 宇宙科学研究本部 中澤 知洋 深沢泰司(広大理)、牧島一夫(東大理)、ほか
銀河団とは? ○ Coma 銀河団(可視光+X線) ○ 銀河団=宇宙最大の天体 (自己重力系) ○ 銀河団の3大構成要素 銀河団とは? ○ Coma 銀河団(可視光+X線) ○ 銀河団=宇宙最大の天体 (自己重力系) M.Watanabe et al. ○ 銀河団の3大構成要素 「ダークマターの重力ポテンシ ャル」の中に、「星=銀河」と、 大量の「銀河間ガス」が閉じ込 められた系。 2度 (~ 3 Mpc)
銀河団に広がる高エネルギー電子 ー第4の主要な要素?ー X線コントア 電波グレー 可視光写真 Mpcスケールの拡がった 3Mpc シンクロトロン電波 3Mpc
Coma銀河団の電波ハロー+硬X線 Coma銀河団 ○ 電波ハロー GeV 電子のシンクロトロン放射 ○ 銀河団からの硬X線放射 ○ 電波ハロー GeV 電子のシンクロトロン放射 ○ 銀河団からの硬X線放射 CMBの逆コンプトン? Coma-C 1.4 GHz image 熱的な成分(ガス) 電波 スペクトル 超過成分 BeppoSAX X線スペクトル Coma銀河団 2度 (~ 3 Mpc) 10 50 keV →40余りの銀河団で確認 Coma銀河団
Coma銀河団の電波ハロー+硬X線 Abell2256銀河団 ○ 電波ハロー ○ 銀河団からの硬X線放射 ○ 電波ハロー GeV 電子のシンクロトロン放射 ○ 銀河団からの硬X線放射 CMBの逆コンプトン? Abell2256銀河団
HCG62銀河群 X-ray spectra 可視光+X線 イエージ 超過硬X線 4分 15分 ⇒ 強い超過ハード成分 Fukazawa, nakazawa et al 2001 X-ray spectra 可視光+X線 イエージ 超過硬X線 kT=1.03+/-0.02 keV Z=0.13+/-0.01Zsol Chi2=241/74 4分 ・2.5 keV以上でfitすると、 1 keV 付近で合わない + kT=2.35+/-0.5 keV 15分 ⇒ 強い超過ハード成分
NeXTで狙える非熱的な現象 →Mpc スケールの動的な宇宙 1:銀河団ガスのバルクモーション/対流 2:相対論的な電子からの放射 硬X線 →ドップラー測定。「動的な銀河団像」 *銀河団形成、巨大なプラズマの渦、、 2:相対論的な電子からの放射 シンクロトロン光度 ∝ Ub×Ue 逆コンプトン光度 ∝ Ucmb×Ue Ucmbは既知→Ue, Ub全て分かる! 参考: ・f(sync)=4.2(B[uG]) γ^2 [Hz] →γ=18000 @ 1GHz, 1uG →γ= 9300 @ 365 MHz, 1uG ・f(IC)=4/3 f(seed) γ^2 [Hz] →γ=10500 @ 100 keV,CMB(7e-4 eV) 硬X線 電波
Mpc スケールの運動、 非熱的なエネルギー メインじゃない話題: 動的な銀河団 例:A2319 銀河団の シミュレーション メインじゃない話題: 動的な銀河団 例:A2319 銀河団の シミュレーション 乱流による広がり? ガスの動き? ハードX線? A3667銀河団の温度ムラ (Newton) Mpc スケールの運動、 非熱的なエネルギー B. Ulrich et al 合体・衝突で渦巻く銀河団ガス?
銀河団からの硬X線観測の意義 ○「硬X線観測で、銀河団での非熱的なエネルギー生成を探る」 問題点 ・SAX のみた硬X線が、明るすぎる。嘘? Ue=4 uG相当、Ub=0.15uG(?)←RMでは 3uGくらい ・本当にシンクロトロン+逆コンプトンなの?? ・電波の観測はOK→MpcスケールのGeV電子は存在する。 しかしながら、そもそもMpcスケールに電波ハローが拡がっ ていることが説明困難。拡散の問題。 →「そこら中で加速」とか、、 あるいは「電子じゃない」とか、、 つまり、放射機構も加速機構も、 なぞなぞなぞ、、、、、
銀河団からの硬X線観測の意義 10’ Mpc A3667NW Relic 電波 ○「硬X線観測で、銀河団での非熱的なエネルギー生成を探る」 <単純な考え> HXI:イメージング with 電波 → ・相対論的な電子の分布、磁場の分布 SGD:スペクトル 300 keVまで?広い視野 → ・銀河団ハードの検証・検出 確定作業&「沢山」でできること ・スペクトルを電波と比較→放射機構 <ひねった考え> 電子の密度/ベキの分布から →その電子を生成しているものへの 厳しい制約 →陽子か?(内山講演参照) 10’ Mpc A3667NW Relic 電波
銀河団からの硬X線観測の意義 1:陽子。 γ=10000の電子の寿命は、1e8 yr、γ=300くらいでは1e10 order →陽子は、m_e/m_p で 「ハッブルタイム以上」 「電子の背景にいる、陽子に迫れないか?」 SNR、リッジなど、「似通った」天体からの演繹も利用 → Diffusive Acceleration の物理の一環として、 最大の天体としての「銀河団」 2:銀河団形成における、エネルギーの散逸・抽出・拡散 →宇宙の大規模構造の進化のエナジェティクス
じゃあ、NeXTで見えるの? A3667 NWレリック Abell3667 Coma銀河団 熱的成分の 分離 →端、やや低温 SAXの結果は 怪しいかも、、 A2256銀河団 じゃあ、電子と磁場の エネルギーが、 等分配だと思って計算しても 見える天体はないの??
Astro-E2、INTEGRAL、NeXT の感度 連続成分:100 ks 観測、5’x5’の広がり A3667NWレリック Coma銀河団 full HCG62 full INTEGRAL 悲観的に計算しても ぎりぎり見える! HCG62 5’x5’ 「均一」計算でもOK →「ムラムラ」なら余裕 π0ガンマ? Astro-E2 Coma銀河団 5’x5’ そして GLAST NeXT ムラムラ万歳!!
銀河団の形成、合体における、非熱的なエネルギー生成。 電子だけで考えると、総エネルギーは 熱的な成分の1%~0.01%以下程度に見えるが、 陽子を考慮するともっと多い? 銀河団の中では、相対論的な陽子は、冷却もされず、 逃げ出しもせず、いつまでもたまってゆく。(ごく自然なこと) 銀河団誕生から、現在にいたるまでの全ての ハッブル時間にわたる非熱的なエネルギーの溜まり場。 → 相対論的な電子は、2次電子? GLASTと共同で、広い帯域を見る。NeXTは撮像が売り。 (ただし、SAXを信じると破綻)→高精度の観測必須。 ハドロニックな 相互作用の世界
本日のメインの1つ NeXTの旗印は何だ?? おしまい、、 銀河団は。 言って見れば、銀河団から「物理」の第1要素的な 抽出は向いていない。暗いから。 しかし、「加速器天文学」の「展開」の先として、 実に魅力的。宇宙最大。大規模構造の進化。天体形成。 扱える程度には、明るい。見える! 本日のメインの1つ NeXTの旗印は何だ??
NeXTへの要求 ○ 銀河団、SNR(の一部)、リッジとか→ ・Diffuse への感度=有効面積+低いBGD ・折れ曲がりを見る帯域。数百keVまで? ・CCDや分光計との協力は?必要?? ○ 核ガンマ→ ・同上+優れたエネルギー分解能 ・?? MeVまでの帯域 ○ パルサー→ ・時間分解能+偏光? ○ BH、AGN、WD、NS→ ・点源への感度=角分解能+面積+低いBGD ○ 銀河の進化 ・HXIでの探査。 Compton thickなAGN=成長するAGN? 典型的な サイズは? 狙うラインのエネルギーは?
HXI感度計算 5x5min Diffuse Src Point Src →硬X線バンドの感度を支配する のは検出器のNXB!(点源でも) 古沢さん、前田さん、岡島君ほかと共同 一部修正込み HXI感度計算 ○パラメータ ・XRT HPD=30’、60cmφx4、FL=12m ・Det NXB CCD = 4e-4 c/s/keV/cm2 CdTe pix = 1e-4 c/s/keV/cm2 ・Confusion 0.1src/HPD ・混入限界 ・CXB3σ ・NXB3σ ・5 photon 0.1 mCrab ~ULX Gal. Cen. 5x5min Diffuse Src Point Src →硬X線バンドの感度を支配する のは検出器のNXB!(点源でも)
銀河団からの硬X線観測の現状 ○ ハードX線は2天体のみ (by SAX) ○ 感度のギャップ@10 keV 名前 電波(1.4 GHz) 硬X線 [erg/s/Hz/cm2] [erg/s/cm2] Coma 32.0e-13 2.2e-11 A2319 8.5e-13 (<2e-11) A2256 1.9e-13 1.2e-11 A2255 2.0e-13 -- A2218 0.2e-13 -- 電波ハローを持つ銀河団(近い順) 集光なし、BGD高い、天体暗い ・銀河団の硬X線は、20~30 keV 以下では熱的放射に隠れる ・10 keV 以上では検出器の感度が2桁劣る ⇒ 銀河団の硬X線の観測は困難、イメージもない
・Cluster and group of Galaxies: cluster merger event, gas bulk motion, turbulence, acceleration … A3667 cluster : merging Coma cluster: hard excess Radio relic (Roettinger et al) Temperature distribution (B. Ulrich et al.) Temperature distribution (M. Watanabe et al.)
中心付近の銀河数との弱い相関? ○ NGC4325群=ハード成分なし ハードあり ハードなし 銀河1こ 300 kpc ハードの兆候 ・示さないもの 単独の孤立した銀河 ・示すもの 中心に複数の銀河 ○ RGH80 群=ハード成分あり 銀河2こ ⇒銀河群の進化との関係? 300 kpc
硬X線の広がり ○ 半径方向の輝度分布 Gas (0.5-4 keV) Hard Excess (4-8 keV) PSF ○ 半径方向の輝度分布 Gas (0.5-4 keV) Hard Excess (4-8 keV) PSF 中心銀河からの距離(分) ・硬X線は、広く分布しており、(単一の)点源ではない。 ・高温ガスと良く似た広がりをもつ。
New X-ray Telescope (NeXT) 計画(2010-?) 「広帯域+高精度分光」 ・80 keV までの硬X線イメージ ・高精度分光 ・600 keV まで感度1桁向上 →非熱的な物理に迫る ・Astro-E2とNeXTの有効面積 撮像・集光 非撮像 ・多層膜スーパーミラー ・CCD+CdTe 撮像カメラ ・TESカロリーメータ ・狭視野コンプトンカメラ など(案) 撮像 非撮像