2004年１月２０日　新潟大学理学部物理　談話会 フレア、ジェット、ガンマ線バースト 柴田一成 京大理花山天文台.

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1 2004年１月２０日　新潟大学理学部物理　談話会 フレア、ジェット、ガンマ線バースト 柴田一成 京大理花山天文台

2 本講演の内容 太陽フレアはどこまで解明されたか？ 太陽から宇宙へ 太陽フレアとは？ 「ようこう」観測と統一モデル 原始星フレア／恒星フレア
宇宙ジェット ガンマ線バースト

3 太陽フレアはどこまで 解明されたか？

4 太陽フレアとは １９世紀中頃発見 黒点近傍で発生＝＞ 磁気エネルギーが源 サイズ～（１－１０）万ｋｍ 全エネルギー
Ｈα 彩層 １万度 １９世紀中頃発見 黒点近傍で発生＝＞ 磁気エネルギーが源 サイズ～（１－１０）万ｋｍ 全エネルギー 　　　　 erg 　　　（水爆１０万ー１億個） 京大飛騨天文台

5 太陽フレアから放出される電磁波

6 「ようこう」衛星の見たコロナ コロナは爆発だらけ！
Ｘ線望遠鏡による（1keV) ２００万度ー １０００万度のガスが見えている

7 「ようこう」が見たフレア 軟Ｘ線(~1keV)
磁気リコネクション

8 長寿命フレア (SXT, ～１keV、 Tsuneta et al. 1992 ）
electron temperature ～１０＾７　Ｋ、　 electron density～１０＾（１０）ｃｍ＾（－３）

9 Plasmoid ejection associated with LDE flare (Yohkoh/SXT)
　Plasmoid speed is about 　　３００ｋｍ／ｓ

10 Coronal mass ejections （ＣＭＥ） （ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ)
Velocity ～１０－１０００ｋｍ／ｓ、mass ～１０＾（１５）－１０＾（１６）ｇ

11 長寿命フレア ｖｓ インパルシブ・ フレア 寿命 １時間以上 １時間以下 サイズ 大 小 発生頻度 少ない 多い
　　長寿命フレア　ｖｓ　インパルシブ・　　　　　　　　　　フレア 寿命　　　　１時間以上　　　　１時間以下 サイズ　　　　　大　　　　　　　　　小 発生頻度　　　少ない　　　　　　多い 軟Ｘ線像　　カスプあり　　　　カスプなし 磁気リコネクション説では 説明できない！？ 磁気リコネクション説でOK

12 インパルシブ・フレアにおける ループトップ硬Ｘ線源の発見 (Masuda et al. 1994 Nature)
カラー： 軟Ｘ線像（1keV） 等高線：硬Ｘ線 (30keV) =>高エネルギー電子 ループトップ～１億度

13 統一モデル Ｘ線プラズ モイド噴出 を予言 ループトップ硬Ｘ線源は、fast shock か？

14 インパルシブ・フレアの 上空にプラズモイド発見
プラズモイド速度 ～１３０－２００ｋｍ／ｓ Ohyama and Shibata (1997,1998): プラズモイド噴出とリコネクションは密接に関係

15 太陽コロナにもジェット発見 （ようこう軟Ｘ線）
足元でマイクロ・フレア 長さ＝数万ー数１０万ｋｍ 速度＝１０－ 　１０００ｋｍ／ｓ

16 太陽コロナ・ジェットのコンピュータ・ シミュレーション（横山・柴田１９９５）
温度分布

17 フレア観測のまとめ 現象 長さ (L) 寿命 (T) Alfven Time (TA) T/TA Mass ejection 大フレア
（長寿命フレア） （インパルシブ・フレア） 数万ー数１０万ｋｍ １時間 ー数日 ３０ー １０００秒 ~１００ プラズモイド 小フレア 千ｋｍー数万ｋｍ 数分ー １ー３０秒 ジェット

18 フレアの発生頻度 べき関数（Ｎ＝フレア発生数（＞Ｗ）、 　　　　　　　Ｗ＝フレアのエネルギー） マイクロフレアも 同じ頻度分布

19 フレア・ジェットの統一モデル (a,b)： 大フレアと プロミネンス噴出 コロナ質量放出 (c,d) ：小フレアと ジェット
　プロミネンス噴出 　コロナ質量放出 (c,d) ：小フレアと 　　　　　ジェット エネルギー解放率＝

20 回転Ｈαジェット （京大飛騨天文台：黒河ら１９８８）
　　ブルーシフト　レッドシフト　　合成

21 残された謎 リコネクション・レイト（またはエネルギー解放率）を決める物理 －速いリコネクションはなぜ起きるか？ エネルギー蓄積機構
リコネクション・レイト（またはエネルギー解放率）を決める物理　 　－速いリコネクションはなぜ起きるか？ エネルギー蓄積機構 トリガー機構 粒子加速

22 Plasmoid starts to be ejected long before the impulsive phase.
The largest plasmoid acceleration occurs during impulsve phase. (Ohyama and Shibata 1997)

23 Laboratory experiment (Ono et al. )

24 恒星フレア／原始星フレア

25 恒星フレア（proxima Cen) 太陽フレアにそっくりのＸ線強度度時間変化を示す

26 原始星フレア （Ｘ線／あすか衛星：小山ら１９９５）
原始星フレア （Ｘ線／あすか衛星：小山ら１９９５）　 温度～ １億度 太陽フレアのエネルギーの１万倍以上

27 原始星フレアは、磁気リコネクション説で説明できるか？
Yes 間接的な証拠が、 　　　Emission Measure (　　　　　　　) vs Temperature の関係に見つかった 　　　(Shibata and Yokoyama 1999、2002)

28 太陽・恒星フレアの Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅ （ＥＭ＝ｎ２Ｖ） は温度（Ｔ）とともに増大 （n：電子密度、Ｖ：体積）(Feldman et al. 1995)

29 太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係 Feldman et al.　(1995) の図の Log-log plot

30 太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係 マイクロフレア (Shimizu 1995)

31 太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係 原始星フレア あすか (Koyama et al. 1996, Tsuboi et al. 1997)

32 フレアの温度は何で決まっているか？ 磁気リコネクション加熱＝熱伝導冷却 のバランスで決まる（Yokoyama and Shibata 1998、2001)

33 フレアの Emission Measure (Shibata and Yokoyama 1999)
フレアループの力学平衡 以上に温度の関係式を代入すると

34

35 磁場強度（Ｂ）＝一定 太陽フレアも原始星フレアも、平均磁場強度は同じくらい 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５０－１００Ｇ程度

36 フレアループの長さ＝一定 原始星フレアが１億度であるのは、 フレアループのサイズが大きいため

37 原始星フレアとジェットのモデル （林、松元、 柴田 １９９６）
原始星フレアとジェットのモデル （林、松元、 柴田　１９９６）

38 フレアのＥＭ－Ｔ図はＨＲ図 に似ている！(Shibata and Yokoyama 2002)
主系列フレア

39 ＥＭ－Ｔ図＝フレアのＨＲ図 コロナ系列 （～原始星） ナノフレア系列 （～褐色矮星） フレアの進化 （～星の進化）
コロナ系列　　　（～原始星） ナノフレア系列　（～褐色矮星） フレアの進化　　（～星の進化） 禁止領域　　　　（～林の禁止領域）

40 コロナ系列 加熱フラックス Ｆ＝一定

41 フレアの進化 フレア コロナ

42 圧力バランスで決まる禁止領域 ガス圧＞磁気圧

43 恒星・原始星フレアの まとめ フレアＥＭ－Ｔ図は，星のＨＲ図と良く似た特徴を示す
主系列（フレア）、コロナ系列、ナノフレア系列 フレア進化径路、禁止領域 ＥＭ－Ｔ図を活用することにより、分解して観測できない恒星／原始星のフレア・コロナの物理量(サイズ、加熱率、磁場強度、エネルギーなど）を推定することができる。 太陽フレア、コロナの理論を、恒星／原始星観測によってテストできる

44 宇宙ジェット

45 what is astrophysical jets ?
Protostellar jet (HH 1/2) AGN jet (Cyg A) Close binary system (SS433)

46 Characteristics of Astrophysical Jets
AGN Close binary system protostar Central object Supermassive black hole Black hole or neutron star Jet length 1 Mpc 3 pc 0.3 pc Jet velocity c 0.3c - c 100km/s Escape velocity

47 Accelerate jets by magnetic field and rotation
MHD model of astrophysical jets Accelerate jets by magnetic field and rotation Magnetic field line jet Centrifugal force Accretion disk Magnetic pressure Protostar, black hole Blandford-Payne 1982, Lovelace et al 1986, Pudritz-Norman 1986, Uchida-Shibata 1985, Shu et al. 1994, …

48 First 2.5D simulation of MHD jets
from accretion disk　(Shibata and Uchida 1986) Magnetic field line accretion disk Time Jet velocity ～ Kepler velocity

49 MHD jet with bow shock (Kudoh et al. 200４, in prep)

50 Main findings (from many MHD simulations in 1985-2002, especially by Kudoh, Shibata et al.)
Velocity of jets ~ Keplerian speed, but slowly increases with magnetic field strength Mass ejection rate is about – 0.1 of mass accretion rate Jets and disks never reach steady state, but become very dynamic

51 Why can jets and disks never be in steady state ?
Because Magnetorotational Instability is so powerful (Blabus and Hawley 1991) Kudoh et al 2002

52 Mass Accretion Rate vs Mass Ejection Rate
time

53 General relativistic MHD simulation (Koide, Shibata, Kudoh 1998, 1999,2000)
Maximum Lorentz factor ～２＝＞real limit ?

54 MHD jets from Kerr hole magnetosphere
Koide, Meier, Kudoh, Shibata (2000) Koide et al Science

55 ガンマ線バースト

56 イントロ：観測 ガンマ線バーストの発見 Klebesadel et al. (1973) by Vela satellites
duration : ~10sec (1msec sec)

57 ガンマ線バーストの特徴 放出するエネルギーの大半が１００ｋｅＶ－数ＭｅＶのガンマ線 太陽フレアの硬Ｘ線に良く似た時間変動 １日に数回発生
発生場所の空間分布が等方的 （宇宙論的距離．ｚ＝1.6，ｚ＝3.4，…） （もし等方的にエネルギーを放出しているならば）全エネルギー＝１０＾（５３）－１０＾（５４）ｅｒｇ 　　＝＞宇宙最大の爆発！ 最近の観測によれば、ガンマ線バーストはジェットらしい。 そうすると全エネルギーは１０＾（５１）－１０＾｛５２）erg。 超新星程度。　宇宙ジェットのMHDモデルが応用可能？

58 Central engine of gamma ray bursts ?
Binary neutron star merger model Collapsar model magnetar model

59 ガンマ線バースト 時間変動～太陽フレアの硬Ｘ線、ガンマ線の 時間変動に酷似
時間変動～太陽フレアの硬Ｘ線、ガンマ線の 　　　　　　時間変動に酷似 duration : ~10sec (1msec sec) 太陽フレア ガンマ線バースト

60 重大な相違点 バースト／フレアのduration
ガンマ線バースト： log-normal 分布 特徴的な時間がある 　　　duration = 10 ~ 100 sec (long burst) 　　太陽フレア： power-law 分布 　　特徴的な時間がない ただし、上限（大フレア）はある 　　　　　（小フレアは限りない）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Log x Log x

61 フレア・コロナ質量放出ー惑星間衝撃波は、 GRBサブジェットーinternal shock か？
コロナ質量放出には特徴的な時間スケール、特徴的な物理量がある！ Aoki et al. ２００４ 空間的サイズ or energyが大きな フレアだけが惑星間空間に質量を 噴出することができる＝＞ 特徴的な物理量が存在する原因

62 Flare/CME model of GRBs driven by magnetic reconnection (Aoki, Yashiro, Shibata 200４)
Only large flares can produce large plasmoids that have enough energy to escape from magnetosphere of the central engine of a GRB (cf. Negoro and Mineshige 2002)

63 全体のまとめ 太陽フレアの磁気リコネクション説が確立 ＝＞統一モデル 磁気リコネクションの物理は未解決
太陽フレアの磁気リコネクション説が確立 　　　　　　　　　　　　＝＞統一モデル 磁気リコネクションの物理は未解決 恒星フレア・原始星フレアにも磁気リコネクション説が適用できる＝＞EM-T図 宇宙ジェットのMHDモデルが発展。MHDジェット・disk は本質的に非定常。磁気リコネクションが重要。 ガンマ線バースト（サブバースト）のフレア・コロナ質量放出モデルを提唱 相対論的ジェットの大きなローレンツ因子の原因は未解決　　＝＞磁気リコネクション？