シンクロトロン放射・ 逆コンプトン散乱・ パイオン崩壊 ～HESS J16161-508は陽子加速源か？ CRコロキウム 2006年1月25日 内山　秀樹

動機 すざく AO-1で未同定ガンマ線源 HESS J１６１４-518を提案したのは良いが･･･ HESSのTeVガンマ線が陽子起源or電子起源であることに対してX線の観測で何が言えるかをはっきりさせたい。 シンクロトロン放射、逆コンプトン散乱、パイオン崩壊を復習・勉強。

目次 宇宙線加速と超新星残骸 シンクロトロン放射 逆コンプトン散乱 パイオン崩壊 HESS J1616-508は陽子加速源か？ まとめ

宇宙線加速 宇宙からは高エネルギー(1012～１０20eV)の宇宙線が等方的にやってくる。 主成分は陽子。陽子の1%程度が原子核。 　 電子も１％程度含まれる。 加速現場はいったい どこか？ →超新星残骸 　（衝撃波加速） knee ankle 宇宙線粒子の積分エネルギー分布

超新星残骸 X線 シンクロトロン放射 100TeV以上の電子加速の直接的証拠 電子が加速→同様に陽子も加速されているであろう 　電子が加速→同様に陽子も加速されているであろう →陽子加速の間接的証拠　

超新星残骸 TeVガンマ線 TeVガンマ線が見える →TeV以上のエネルギーの粒子の存在の直接証拠 逆コンプトン散乱：電子起源 パイオン崩壊：陽子起源→陽子加速の直接証拠

シンクロトロン放射 高エネルギー粒子が磁場で曲げられて放射を起こす過程 エネルギーEe電子の放出光子の典型的エネルギーEp 　Ep~4keV×(B/10μG)×（Ee/100TeV)２　 速度βの粒子のpower (erg/s) →同じβの時、電子のシンクロトロン放射に比べて陽子の　　　 放射は非常に弱い（~3×10-7） →強度はUBβ2γ2に比例 ：磁場のエネルギー 密度（erg/cm3)

シンクロトロン放射 RX J1713 n(E)∝E-pの粒子分布の時→冪(p-1)/2のパワーロー E5/2 E(p-1)/2 Synchrotron Log(E/1MeV) 自己吸収が効く E5/2 RX J1713 E(p-1)/2

逆コンプトン散乱 高エネルギー粒子に光子（CMB)が叩かれてTeVガンマ線になる過程。 エネルギーEe電子の放出光子の典型的エネルギーEp 　ETeV ~10TeV×(hν0/2×10-4eV)×（Ee/100TeV)２　 　hν0：ターゲット光子（CMB)のエネルギー　kB・(2.7K)~ 2×10-4eV 速度βの粒子のpower (erg/s) →強度はUphβ2γ2に比例 Uph=a(2.7K)4 =4×10-13 erg / cm3 ：CMBのエネルギー密度

逆コンプトン散乱 IC スペクトル:n(E)∝E-pの粒子分布の時 RX J1713 →冪(p-1)/2のパワーロー：シンクロトロンと同じ Synchrotron E(p-1)/2 E(p-1)/2 IC Log(E/1MeV)

パイオン崩壊 高エネルギー陽子がガスとぶつかってパイオンを作り、そのパイオンが崩壊してガンマ線が放出 ｐｐ → π0 → ２γ 　ｐｐ　→　π0　→　２γ 放出光子の典型的エネルギー：　1GeV～ σｐｐ(Ep) ~30[0.95+0.06ln(Ekin/1GeV)] mb (Ekin>1GeV) ~ 0 mb (Ekin < 0.3 GeV) 強度（積分フラックスJγ） Jγ(>0.3GeV) ~ 3 ×10-8 ×A cnts/s/cm2 A=（WCR/1050erg)(d/1kpc)-2(n/1cm-3) WCR:全陽子の持つ全エネルギー d:ソースからの距離　n:ガスの密度 →陽子のエネルギーと周りのガスの密度だけで強度が決まる。

パイオン崩壊：スペクトル Γｐ=2.0 Γｐ=2.5 Γｐ=2.75 Log(E/1GeV)

＝（逆コンプトン散乱TeVガンマ線の上限値を決めること） X線とTeVガンマ線の関係 シンクロトロン放射と逆コンプトン散乱 どちらも電子起源 Psyn / PIC = UB / Uph　（速度βの電子1個当たり） →逆コンプトン散乱の強度∝シンクロトロン放射の強度 磁場＞星間磁場～３μG （X線強度の上限値を決めること） ＝（逆コンプトン散乱TeVガンマ線の上限値を決めること） パイオン崩壊 　 パイオン崩壊によるTeVガンマ線強度は陽子のエネルギーと周りのガスの密度だけに依存。

HESS J1616-508 FX(2-10keV) < 2×10-13erg/cm2/s HESSの銀河面サーベイによって見つかった新TeVガンマ線源。X線・電波の対応天体は無い。 TeVガンマ線では非常に明るい。 　 Fγ(>0.2TeV)=4×10-11erg/cm2/s　～0.19Crab すざくPVフェーズで観測 FX(2-10keV) < 2×10-13erg/cm2/s すざく　2-10keV HESS

HESS J1616-508は陽子加速源か？ HESS J1616のTeVガンマ線は 逆コンプトン散乱では説明できない! F(>0.2TeV) =4.3×10-11/cm2/s Γ=2.4 103yr SNR WCR= 1051erg, d=1kpc, n=1/cc (A=1) π0 (A=1) IC Log(E/eV) HESS J1616のTeVガンマ線は 逆コンプトン散乱では説明できない! Fx (2-10keV) =3.8×10-11 erg/cm2/sの時 (Vela Jr. 3.2 ×10-11 erg/cm2/s) Fx (2-10keV) =2×10-13 erg/cm2/sの時 (HESS J1616の上限値)

HESS J1614-518ですざくは何を見たいのか？ 同じくHESSの新TeVガンマ線源。 X線、電波に対応天体無し。（X線ではASCA,Chandra,XMMいずれもそもそも観測が無い。） TeVガンマ線では今回発見された新ソース中で最も明るい。　 F（>0.2TeV) = 0.25 Crab すざくAO-１で提案中。 →何か見えたらもちろん嬉しい。 →厳しいX線強度上限値は 　 陽子起源を示唆。嬉しい。 「見えないことを見たい」 すざくは大面積、低バックグラウンド、 　　迷光少ない→上限値決めに適する。

まとめ シンクロトロン放射X線と逆コンプトン散乱TeVガンマはどちらも電子起源なので強度は比例する。 HESS J1616のTeVガンマ線強度はICでは説明できないことがすざくによるX線の観測から分かった。 本当はこんな単純な話では無いのかもしれませんが・・・。 　 ・X線が見えない→TeVはパイオン崩壊が見えているかも　○ ・TeVはパイオン崩壊が見えている　→X線は見えない　　 × この場合どうX線が見えるかは更に勉強が必要。

いろいろと 反省します おまけ ・つっちー(正) と １Jy（ジャンスキー）＝10-23erg/s/cm2/Hz カール・ジャンスキー：GCからの電波を発見（１９３１） 間違えやすいもの ・HESS J1616-508(正)とHESS J1614-518(正)と HESS J1614-508(誤)とHESS J1616-518(誤) ・つっちー(正)　と うっちー（誤） いろいろと 反省します