IC 443 の特異なプラズマ構造 ~放射再結合連続線の発見~

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1 IC 443 の特異なプラズマ構造 ~放射再結合連続線の発見~
内容： １．IC 443の紹介 多波長での姿 ２．すざくの観測 ♪小澤碧、小山勝二(京都大学) 山口弘悦、平賀純子(理化学研究所) 尾崎正伸、馬場彩(ISAS)

2 1.超新星残骸IC443 45’ ～ 20pc d~1.5kpc （銀河中心と反対側） l=189.1, b=+3.0
　（銀河中心と反対側） l=189.1, b=+3.0 Mixed-Morphology SNR (Ｘ線で中心集中、 電波でシェル状の構造) Type II XMM-Newtonによる IC 443のＸ線画像(1.4-5keV)

3 青：チャンドラとROSATのX線観測 緑：超大型電波干渉計（VLA）の電波観測 赤：デジタルスカイサーベイDSSの可視観測

4 21cm

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6 ２.Suzaku Observation ＠07/March 40ksec
45’ ～20pc ↑XMM-Newton X-ray　image (0.3-5keV) ↑Suzaku X-ray image　 brown：0.7-3keV、contour:3-5.5keV

7 Suzaku XIS Spectrum (Non-X-ray BGD subtracted / FI2台)
Ne Mg Si S Ar Ca Fe Fe-L βlines！

8 Emission mechanism He-like ion H-like ion
Number ratio -> Electron temperature Kβ Number ratio -> Ionization temperature 10+ 10+ He-like ion Kα 10+ Lyβ Lyα 10+ H-like ion

9 Fitting : 衝突電離平衡プラズマ 赤：BI 黒：FI
NH=7e21 /cm2(固定) 　　　温度 ( )keV アバンダンス Si~1.4, S~1.2, Ar~1.3, Ca~1.0, Fe~0.6 Reduced χ^2 = 6.19 [χ^2/d.o.f = 1789/289]　　　　　　　　　

10 New model : Bremss+lines
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV Si Lyα/Kα比 1.06( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.35( )keV χ^2 = 2.97　　　　　　 [χ^2/d.o.f = 845/285]　　　

11 possibly radiative recombination continuum(RRC:放射再結合)!?
K輝線 EX n=3 S 放射再結合連続線 RRCの幅＝ 電子の運動エネルギーに相当 n=1 n=2 : n=∞ EX

12 Bremss+lines+FRRC+HRRC
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.38( )keV χ^2 = 1.09　　　　　　　　 [χ^2/d.o.f = 306/280]　

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14 通常の衝突電離プラズマよりも 3桁近くRRCが強い

15 何がおこっているのか？ 超新星残骸の常識 衝撃波加熱 熱平衡プラズマ RRCは弱い

16 Pulsarが Off-beamで照らしてる？ もしかして GRB-remnant!? 一部のGRB残光からRRCの検出
（GRB / GRB ）

17 If we observe IC 443 with microcalorimeter…
おまけ：bonus Astro-H If we observe IC 443 with microcalorimeter…

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20 まとめ すざくで超新星残骸IC 443を観測した 制動放射＋ラインのモデルではスペクトルに大きな残差が残った
放射再結合連続線を加えるとよく合う 放射再結合の強度が異様に強い

21 衝突電離プラズマと光電離プラズマ S S K輝線 σ 再結合線 ∝E-3 E 衝撃波で加熱された熱的プラズマ(衝突電離)
自由電子とイオンは熱平衡 　自由電子エネルギー ＝ イオン化エネルギー K輝線 S 光照射で加熱されたプラズマ(光電離) S 光電効果でイオンと自由電子が作られる ∝E-3 E σ 光電効果の断面積 再結合線 励起できず再結合→再結合の連続線 電子は光電吸収エッジ超えの僅かなエネルギー

22 (StepA)Bremss+lines 赤：BI 黒：FI 緑：Bremss 灰：CXB 水：He-like 青：H-like
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV Si Lyα/Kα比 1.06( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.35( )keV χ^2 = 2.97　　　　　　　　　

23 (StepD)Bremss+lines+FRRC+HRRC
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.38( )keV χ^2 = 1.09　　　　　　　　　

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25 ① ③ ② ④ 電離・電子温度を求める手順 水素状/ヘリウム状 = ② /① Lyβ/Lyα = ④ / ② 電離温度 電子温度
1.熱的平衡なプラズマが出す 輝線強度比をモデルから求める （下図。APECモデル使用） 2.すざくのスペクトルから輝線強度 比を求め、下図から温度を求める ① ③ ② Ly-beta ④ 水素状/ヘリウム状 　= ② /① Lyβ/Lyα = ④ / ② 電離温度 電子温度 ～0.35keV ～0.22keV

26 3.考察 過電離状態の物理的解釈 SNR内での温度勾配によって熱伝導で電子が急に冷やされた
にも関わらず重元素イオンの再結合が間に合っていない すざくでも温度勾配を確認

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28 (StepD)Bremss+lines+FRRC+HRRC
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.38( )keV χ^2 = 1.09　　　　　　　　　

29 (StepB)Bremss+lines+FRRC
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.39( )keV χ^2 = 1.21　　　　　　　　　

30 (StepC)Bremss+lines+HRRC
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( ) keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.23( )keV χ^2 = 1.53　　　　　　　　　

31 RRCから求めた電離温度 （薄い橙はエラー） Lyα/Kαの比から求めた電離温度

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33 １．North、Southのスペクトル(7.5’半径)
左領域のFIスペクトル.NXBをひいてある XISのイメージ (0.7-3keV) 以下のスペクトル解析は全てNorthのもの。 NXBはひいてある。 CXBはKushino et al.（2002）の値に固定。

34 S Ne O Si Step2）.Lyラインを足す。
kT~0.35keV, NH~4.9e21/ アバンダンスO~0.2、Ne~0.5、Mg~0.4, SI~0.8, Fe~0.2 RRCらしき構造は明らかには見えない（Fe-Lの入れ方で隠されている可能性もある） RRCのモデルを加えてもNormalizationは０となる 実線：完全電離->H-like（K殻へ） 点線：H-like->He-like（K殻へ） 一点鎖線：完全電離->H-like（L殻へ） S (L殻への遷移) Ne O Si (L殻への遷移)

35 Step1. Bremss Step2.ガウシアン（α＆β）を加える Bremss0.82keV/ χ^2=87
Siエッジ以上はゲインが+3.2eVずれてる（FI）ので一様にずらす 吸収は7e21固定 Bremss0.82keV/ χ^2=87 Step2.ガウシアン（α＆β）を加える β　のライン強度はαの（温度の関数）倍で固定 （温度の関数）は、APECのモデルを用いて次頁のようにA-B*exp(-kT/C) 　の形で再現 ・実際のフィットの際は、以下のモデルでとりこんでいる 上記の（温度の関数） A,B,Cは固定値なので 温度のみがフリーパラメータ （温度の関数） 温度はsiheと共通 wabs*( bremss + ga + sihe＊ga + ga + sih＊ga +…) SiのKβ （normをKαと共通に） SiのLyβ （normをLyαと共通に） SiのKα SiのLyα

36 1.ゲイン ・SiとSのKα、Lyαを用いてゲインを調べた ・ 様々なラインが交じり合っているため狭い範囲でフィットした
FI ・SiとSのKα、Lyαを用いてゲインを調べた ・　様々なラインが交じり合っているため狭い範囲でフィットした ・パワーローとガウシアン（幅０）でフィット ・パワーローの傾きは3.5に固定(~1keVプラズマはこの程度の傾きに相当) ・一様なゲインのずれが認められた。右図を定数フィットしFI +4eV、BI -9eVを得た。 ・以下のフィットでは、一律この値だけゲインをずらす Si Kα Si Lyα S Kα S Lyα BI 黒　FI　 赤 　BI ライン中心の理論値からのずれ（eV） ライン中心エネルギー（eV）

37 2.下準備その１：β、γ、δのαに対する比を 温度の関数としてモデル化
H-like イオン He-like イオン 青β/α 赤γ/α 緑δ/α （黒はlinearフィットの線) Si Ar S Ca β/α（或いはγ/α、δ/α）強度比をAPECモデルから求める β/α= A*exp(-B/kT)の関数形を仮定してフィットでAとBを求める 横軸1/kT、縦軸をln(β/α)などとすると、図のように直線となるのでこの仮定はまあいいだろう Fe

38 ３．下準備その２．Lyα/Kα比を 温度の関数としてモデル化
Si（紫）を exp関数でフィット(黒) APECモデルからLyα/Kαの比を温度に対して求める これを便宜的に a+b*exp(kT/c)の関数でフィット フィット結果（黒）は右図。モデルとAPECデータでは殆どずれはない。 紫Si,赤S,緑Ar、青Ca、 （黒はフィットのモデル）

39 S Si ４．下準備その３：RRC強度の温度依存性 黒：Lyα/Kα 赤：FRRC/HRRC 緑:FRRC/Kα 青：FRRC/Lyα
ここで、FRRCは完全電離（Full ionized） イオンからのRRC, HRRCはH-likeイオン からのRRCを指す Si S APECモデルを利用して、RRCの強度（肩の高さ）やKα、Lyαの強度の関係を求めた

40 5. フィッティング 基本方針 モデル wabs*( bremss + power + redge + ..
ゲインはFIで+4eV, BIで-9eVずらす 吸収7e21固定 CXBはKushino et al.(2002)の値に固定 ライン中心固定、ライン幅０固定 Si,Sはα、β、γ、δ輝線まで考慮、Ar,Caはβ輝線まで考慮 β、γ、δ輝線強度はαのa（=電子温度の関数）倍　(この資料2章) Lyαの強度はKαのb（=電離温度の関数）倍　（この資料の３章） RRCは明らかに残差の残るSiとSのみ考慮 RRCの温度は元素間で共通 1.8-8keV、FIとBIの同時フィット 基本方針 モデル wabs*( bremss + power + redge + .. [ga + siheb＊ga + sihec ＊ ga + sihed＊ga ] + sia * [ga + sihb ＊ga + sihc ＊ ga + sihd ＊ga] + …) 赤は電子温度の関数　（β～δ、元素間で温度共通） 青は電離温度の関数　（Siと、S&Ar&Caの２つの電離温度を定める：理由は次頁） PowerはCXB

41 (StepD)Bremss+lines+FRRC+HRRC
MgのRRC！？ Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.07( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.33( )keV χ^2 = 1.48

42 (StepF)MgのFRRC+HRRCを加える
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 0.97( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.48( )keV χ^2 = 1.01　　　　　　　　　

43 2.二温度 Vapec ~2温度間のアバンダンス共通~
温度 1.15( )keV 　　　　0.55( )keV　　 アバンダンスSi~1.5, S~1.3, Ar~1.3, Ca~0.9, Fe~0.3 Reduced χ^2 = 6.05 [χ^2/d.o.f = 1738/287]　　　　　　　　　 3.二温度 Vapec　~2温度間のアバンダンス別個~ 温度 1.12( )keV 　　　　0.21( )keV　　 高温成分アバンダンスSi~1.4, S~1.2, Ar~1.2, Ca~0.8, Fe~0.3 低音成分アバンダンスSi~117,その他0 Reduced χ^2 = 5.74 [χ^2/d.o.f = 1620/282]　　　　　　　　　

44 5.Bremss+lines+FRRC χ^2 = 1.21 [χ^2/d.o.f = 340/282]
Bremss 　 ( )keV βγδ/α比 ( )keV RRC ( )keV Si Lyα/Kα比 1.08( )keV SArCa Lyα/Kα比 1.39( )keV χ^2 = 1.21　　　 [χ^2/d.o.f = 340/282]