Fermi_2011June.ppt T. Mizuno et al. ガンマ線天体1

Fermi_2011June.ppt
フェルミ・ガンマ線衛星
で見た宇宙
June. 25, 2011 @ 京都産業大学
Tsunefumi Mizuno (Hiroshima Univ.)
on behalf of the Fermi-LAT Collaboration
T. Mizuno et al.
1
Contents
Fermi_2011June.ppt
• フェルミ衛星の３年間の成果について紹介
2008年6月打ち上げ
3c454.3
フロリダ州
ケープカナベラル基地
T. Mizuno et al.
Fermi-LAT 1 year all-sky gamma-ray map
2
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sky (pre-Fermi)
• EGRET (1991-2000)によるガンマ線マップ
– 明るいガンマ線天体と銀河面放射がもやもやと見える
Galactic Center
Vela
Geminga
Crab
3c454.3
271 sources (Hartmann+99)
T. Mizuno et al.
3
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sky (Fermi Era)
• フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ
– 多数のガンマ線源がはっきり見える
Galactic Center
Vela
Geminga
Crab
3c454.3
T. Mizuno et al.
>1400 sources
(Abdo+10, ApJS 188, 405)
4
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sky
• フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ
– 多数の新しいガンマ線源がはっきり見える
Fermi以前は, PulsarまたはBlazar以外はほとんど
(または全く)知られていなかった種族
Vela
PSR (radio/X)
Geminga
Blazar
Crab
3c454.3
T. Mizuno et al.
>1400 sources
(Abdo+10, ApJS 188, 405)
5
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sky
• フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ
– 多数の新しいガンマ線源がはっきり見える
Fermi以前は, PulsarまたはBlazar以外はほとんど
(または全く)知られていなかった種族: 今日の主役
Vela
Radio-quiet PSR
SNR
Globular Cluster
etc.
Non-Blazar AGN
Normal Galaxy
etc.
T. Mizuno et al.
Geminga
Crab
3c454.3
>1400 sources
(Abdo+10, ApJS 188, 405)
6
Fermi_2011June.ppt
Fermi-LAT
Instruments
T. Mizuno et al.
7
Fermi_2011June.ppt
GLAST Launch
• Launched on June 11, 2008
• Science Operation on Aug 4, 2008
• Orbit: 565 km, 26.5o (low BG)
GLASTはFermi衛星の旧称
5-yr mission
(10-yr goal)
Cape Canaveral Air Station @ Florida
T. Mizuno et al.
8
Fermi_2011June.ppt
GLAST => Fermi
• 宇宙物理の分野でも名高いフェルミ教授の名を称えて
名付けられた.
Enrico Fermi (1901-1954)
フェルミ統計 (1926)
放射性元素の研究 (1938 Novel Prize)
宇宙線のフェルミ加速 (1949)
T. Mizuno et al.
Fermi衛星=LAT+GBM
9
Fermi-LAT Collaboration
Fermi_2011June.ppt
France
Italy
Japan
Sweden
•
•
•
•
•
•
•
•
Hiroshima Univ.
Tokyo Tech
ISAS/JAXA
Waseda Univ.
Tokyo Univ.
Nagoya Univ.
Aoyama Gakuin Univ.
Kyoto Univ.
US
~400 members
(日本グループ~20名)
T. Mizuno et al.
10
Fermi_2011June.ppt
Large Area Telescope
• Pair-conversion type g-ray telescope
• Tracker: Si-strip detectors
20 MeV- 300 GeV
direction measurement
~200 um pitch =>
high precision tracking
•ACD: plastic scintillators
BG rejection
segmented tiles =>
prevent self-veto
•Calorimeter: CsI scintillators
Energy measurement
T. Mizuno et al.
hodoscopic crystals =>
shower profile
11
Large Area Telescope
Fermi_2011June.ppt
• Pair-conversion type g-ray telescope
• Tracker: Si-strip detectors
direction measurement
Key-element of LAT, developed by
HPK and Hiroshima Univ.
Low-noise (~2.5nA/cm2)
High-quality (dead strip: <0.01%)
~106 channels in total
T. Mizuno et al.
SSD
12
Fermi_2011June.ppt
Science Breakthroughs of 2009
• Fermi is recognized as one of the top
science breakthroughs
Science, December 2009
Discovery of
16 new pulsars
T. Mizuno et al.
13
2011 Rossi Prize
Fermi_2011June.ppt
• ロッシ賞: Bruno Rossi (Giacconiと並ぶX線天文学の
開祖)の功績を讃えて作られた賞
2011年 Fermi-LATチーム
2001年 A. Fabian & 田中靖郎
1989年 Kamioka & IMB
T. Mizuno et al.
14
Fermi_2011June.ppt
フェルミ・ガンマ線衛星
で見た宇宙
• 超新星残骸と宇宙線
• 新星からのガンマ線放射の発見
• ガンマ線バースト: 宇宙ジェット
T. Mizuno et al.
15
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sky (再掲)
• フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ
– 多数のガンマ線源がはっきり見える
• 誰が, どうやってガンマ線をだすのか
Galactic Center
Vela
Geminga
Crab
3c454.3
T. Mizuno et al.
>1400 sources
16
(Abdo+10, ApJS 188, 405)
Fermi_2011June.ppt
Gamma-ray Sources
• 様々な天然の加速器がガンマ線を放射する
Vela
Geminga
Crab
3c454.3
T. Mizuno et al.
立命館大学
森研究室のHPより
17
Emission Mechanism
Fermi_2011June.ppt
• 4つの非熱的プロセスでガンマ線を放射
– 宇宙線や, 星間ガス・光子・磁場を調べることが可能
シンクロトロン放射
(星間磁場)
逆コンプトン
散乱
制動放射
(星間ガス)
核子-核子反応
(星間光子)
宇宙線は星間磁場で曲げられるが, ガンマ線は直進
T. Mizuno et al.
18
ガンマ線天体1: 超新星残骸
Fermi_2011June.ppt
• 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲
SN1006 by
Chandra
T. Mizuno et al.
19
ガンマ線天体1: 超新星残骸
Fermi_2011June.ppt
• 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲
• 宇宙線加速源の有力候補
エネルギー収支
WCR~1040 erg/s
WSN~1051 erg/30y~1042 erg/sの1%
で賄える
~1000 km/s
H. Katagiri
T. Mizuno et al.
加速理論
超新星の爆風が作る衝撃波で加速
しうる (Fermi加速)
陽子を加速しているか?
宇宙線の総エネルギーを説明できるか?
最高加速エネルギーは？(Eknee)
20
ガンマ線天体1: 超新星残骸
Fermi_2011June.ppt
• 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲
• 宇宙線加速源の有力候補
エネルギー収支
WCR~1040 erg/s
WSN~1051 erg/30y~1042 erg/sの1%
で賄える
~1000 km/s
H. Katagiri
T. Mizuno et al.
加速理論
超新星の爆風が作る衝撃波で加速
しうる (Fermi加速)
陽子を加速しているか?
宇宙線の総エネルギーを説明できるか?
最高加速エネルギーは？(Eknee)
21
GeV-emitting SNRs
• 10以上のSNRをGeVで検出
• ２つのカテゴリ
Fermi_2011June.ppt
(2010 Feb. NASAプレスリリース)
– 若いSNR (CasAなど)
– 分子雲と相互作用する中年齢SNR (W44など)
T. Mizuno et al.
22
Young SNR: Cassiopeia A
Fermi_2011June.ppt
• 銀河系内で２番目に新しいSNR (t=340 yr)
• 明るい電波源(宇宙線電子), TeV放射有り
Fermi LAT
GeVで点源状だが,
パルサーとずれた位置
有為なパルスなし
PSR
GeV γ線はSNRから
Abdo+09, ApJ 710, L92
CA: Funk, Uchiyama
T. Mizuno et al.
23
Spectrum of Cassiopeia A
Fermi_2011June.ppt
• ハドロン起源かレプトン起源かは常に議論の的
100MeV 10GeV 1TeV
– シンクロトロン電波から, 電子密度に上限がつく
T. Mizuno et al.
24
Spectrum of Cassiopeia A
Fermi_2011June.ppt
• ハドロン起源かレプトン起源かは常に議論の的
• Brems+IC
• B=0.12 mG, We=1x1049 erg
(X線はB~0.5 mGを示唆)
100MeV 10GeV 1TeV
• p0-decay
• B>0.12 mG, Wp=3x1049 erg
(適当な陽子スペクトルで説明可)
• 陽子起源の方が観測によく合う
• WCR=(1-4)x1049 erg, a few % of ESN
T. Mizuno et al.
25
The Energy Spectra
S. Func
@HEAD meeting
Young
Mid-aged
CasA
LAT range
0.1
1
Fermi_2011June.ppt
10
100 GeV
• 陽子起源をfavorする物もある
• エネルギー総量の議論が可能に
• 年齢による違い: 宇宙線の加速と放出
T. Mizuno et al.
26
ガンマ線天体2：新星爆発
Fermi_2011June.ppt
• 新星: 白色矮星と通常の星の連星. 白色矮星にガス
が降り積もり爆発的核融合を起こす=新星爆発
V407 Cygni
赤色巨星
• 銀河系では頻繁にみられる:
(SN: ~1/30yr)
30-60/yr
• Enova~1044 erg (ESN ~1051 erg)
(太陽の1000年分)
• 新星がγ線を出すとは考え
られていなかった
White Dwarf
T. Mizuno et al.
27
Fermi_2011June.ppt
Nova V407 Cygni in Visible Light
~9.5 mag
~7 mag
• 日本人アマチュアが発見, 花山天文台で確認・通報
西山浩一, 椛島冨士夫, 前原裕之(花山天文台)
T. Mizuno et al.
28
Nova V407 Cygni in g-Rays
Fermi_2011June.ppt
2010 Aug.
NASA プレスリリース
Abdo+10, Science 329, 817
• ほぼ同時にγ線が増光していたことを確認
– 新星からのγ線を始めて検出
T. Mizuno et al.
29
Fermi_2011June.ppt
Nova V407 Cygni Light Curves
ガンマ線
可視光
X線
• ほぼ同時にγ線が増光していたことを確認
– 新星からのγ線を始めて検出
T. Mizuno et al.
30
V407 Cygni Binary System
Fermi_2011June.ppt
• 赤色巨星から~10 km/sの星風
• 新星爆発で物質放出: ~3000 km/s
T. Mizuno et al.
31
V407 Cygni Binary System
Fermi_2011June.ppt
• 赤色巨星から~10 km/sの星風
• 新星爆発で物質放出: ~3000 km/s
32
T. Mizuno et –
al. 赤色巨星近くの衝撃波で粒子加速が期待される
Spectrum and Energetics
Fermi_2011June.ppt
• ~2 GeVで折れ曲がり.
陽子のp0崩壊で説明できる
(lepton起源も可能)
• Eg=4x1041 erg =>
Ep~1043 erg
• Enova~1044 erg の10%が
粒子加速に費やされた
• SNRと同様の粒子加速は, より小規模の新星でも
起きうる
T. Mizuno et al.
33
その他の新γ線天体
CTA1中の新しいパルサー
Abdo+08, Science 322, 1221
Fermi_2011June.ppt
CenA lobe: 銀河より巨大な領域で粒子加速
Abdo+10, Science 328, 725
銀河とジェット
ガンマ線
NGC1275: 新種のガンマ線銀河
Abo+09, ApJ 699, 31
T. Mizuno et al.
34
Fermi_2011June.ppt
ガンマ線天体3: ガンマ線バースト
• ガンマ線で突如輝く現象. 核実験監視衛星Velaが
1967年発見.
• 宇宙論的距離にあり, 光度1051 erg/s(~全銀河の光
度)に達する宇宙最大の爆発現象.
• 継続時間で２つに分類. 大質量星の重力崩壊(極超
新星)または中性子星連星の合体とされる.
2s
T90 (duration) in seconds
T. Mizuno et al.
Time (s)
35
Fermi_2011June.ppt
Gamma-Ray Bursts Overview
(Meszaros 2001, Science 291, 79)
G>=100
外部衝撃波
内部衝撃波
ガンマ線
バースト
可視・赤外・
X線残光
• 中心天体から超相対論的ジェットが放出. 視線方
向と一致するとGRBとなる
– ジェット内シェル同士の衝突(内部衝撃波)でガンマ線
– 星間物質との衝突(外部衝撃波)で可視/X線残光
観測からLorentz因子>=100 “宇宙最強のジェット”
T. Mizuno et al.
36
Fermi_2011June.ppt
Fermi for GRB
GeVガンマ線
イメージング
20MeV-100GeV
LAT
内部衝撃波
(シンクロトロン放射)
T. Mizuno et al.
GBM
ガンマ線バースト
モニタ
(NaI & BGO)
8keV-40MeV
• FermiはGBMとLATで10 keV
から100 GeVをカバーできる
• ジェットはどこまで加速
されているか ?
• 未知の放射成分はあるか?
37
Fermi View of GRB
Fermi_2011June.ppt
• 全天をモニタするGBM + GeV放射を検出するLAT
• 打ち上げ後２年で
– 514 GBM GRBs (約半数がLATの視野内)
– 18 LAT GRBs
~0.7/日
~0.7/月
4つのモンスターGRB
(>=100 above 100 MeV)
T. Mizuno et al.
38
Fermi_2011June.ppt
GRB090510: Bright Short GRB
GRB 090510 (short)
Abdo et al. 2009, Nature 462, 331
8-260keV
GBM
0.26-5MeV
LAT all events
LAT
>100 MeV
>1GeV
0
1
2s
• 初めての「明るい」
Short GRB. ~10 msの
スパイク
• z=0.9 (73億光年)
• 最高で31 GeV
• 高いエネルギー放射
の遅れや長寿命GeV放
射が見られる
Abdo+09, Nature 462, 331
(CA: Granot, Guiriec, Ohno, Pelassa)
T. Mizuno et al.
39
Limits on Lorentz Factor
Fermi_2011June.ppt
• 早い変動(小さな領域)&高い光子数=>電子陽電子対生成を
起こし, 高エネルギー光子は外に出れないはず
厚さ
attenuation length
 T N photon
18
t

10
4pR 2
Abdo+09
ApJ 716, 1178
• ジェットがLorentz因子Gで観測者に向いていれば,
– サイズRはG2倍 (相対論的Beaming)
– エネルギーは1/G倍 => 対生成に寄与する光子数減少
なのでtは~1/G6程度で済む. ここからGmin~1000となる.
• これだけ強力なジェットは例がない (活動銀河核で~10).
T. Mizuno et al.
40
Fermi_2011June.ppt
Limits on Lorentz Invariance Violation
• 一部の量子重力理論はLorentz不変の破れ( vph  c )を予言.
• 遠方の, 同時に起きた, 高エネルギー光子イベント(GRB)
で検証できる.
2009 Oct. プレスリリース資料より
T. Mizuno et al.
41
Fermi_2011June.ppt
Limits on LIV
GRBの開始
31GeV光子到来
E<=5MeV
E>=10MeV
• 31GeVの光子は最大でも0.86秒の遅れ
MQG,1>1.2 Mplank
初めて, プランク質量を超える制限をつけた(n=1).
T. Mizuno et al.
42
Summary
Fermi_2011June.ppt
• フェルミ・ガンマ線衛星の成果をいくつか紹介
– 超新星残骸: 宇宙線の源
– 新星ほか, 新種のガンマ線源の発見
– ガンマ線バースト: 強力なジェット, 光速不変の検証
• 他にも様々なトピック. 日本グループが活躍.
– 原著論文(>100)
– 天文月報「フェルミ特集」 2010年5~8月号
– 物理学会誌 2010年第3号
Thank you for your Attention
T. Mizuno et al.
43
Fermi_2011June.ppt
Backup Slides
T. Mizuno et al.
44
Fermi_2011June.ppt
CR Energy Spectrum
Eankle
Eknee
T. Mizuno et al.
45
Shock Acceleration
• 超新星の爆風が星間物質中
に衝撃波を作る
Fermi_2011June.ppt
衝撃波面の静止系
(超新星が右側)
• 荷電粒子の一部は周りの
電磁流体乱流で繰り返し
散乱され、衝撃波面を通過
する度にエネルギーを得る
(Fermiの統計加速)
• E-2を予言し、宇宙線加速とし
て都合がよい
V1/V2 ~4
T. Mizuno et al.
46
Fermi_2011June.ppt
SNR w/ cloud interaction: W44
• 中年齢(2x104 yr)のSNR
• Fermiで分解可能な大きさ
• 密度の濃い分子雲と相互作用
しており, γ線放射が期待
T. Mizuno et al.
47
Fermi_2011June.ppt
LAT view of W44
Abdo+10, Science 327, 1103
CA: Tanaka, Uchiyama, Tajima
x印はパルサーの位置
緑のコントアは衝撃波に励起された分子雲
• 高密度の分子雲からγ線が放射
T. Mizuno et al.
48
LAT Spectrum & modeling
100 MeV
10 GeV
Fermi_2011June.ppt
1 TeV
• スペクトルは陽子起源が良く合う
T. Mizuno et al.
49
LAT Spectrum & modeling
100 MeV
10 GeV
Fermi_2011June.ppt
1 TeV
• スペクトルは陽子起源が良く合う
• γ線で~1 GeV, 親の陽子で~10 GeVで折れ曲がり
(予想されていなかった結果)
T. Mizuno et al.
50
Gamma-ray Spectrum
p+p ->
T. Mizuno et al.
np0
+ X,
p0
-> 2g
Fermi_2011June.ppt
Mori08
Kelner+06, PRD 74, 034018
Ecut ~ 0.1Epcut
51
X-ray from V407 Cygni
Fermi_2011June.ppt
• X線は遅れており, 衝撃波が周りの星間物質を加熱
して生じたと考えられている.
T. Mizuno et al.
52
Spectrum and Energetics
Fermi_2011June.ppt
• ~2 GeVで折れ曲がり.
陽子のp0崩壊で説明できる
(lepton起源も可能)
• Eg=4x1041 erg =>
Ep~1043 erg
• Enova~1044 erg の10%が
粒子加速に費やされた
(非対称な系: 効率 >10%)
• IC (電子とR.G.からの光)
なら0.4%が粒子加速
T. Mizuno et al.
53
Fermi_2011June.ppt
GRB970508
• X線残光の発見と可視分光: z=0.835
(ガンマ線の位置決定精度は数度)
2 arcmin
1997 May 09
T. Mizuno et al.
1997 May 14
54
Long-lived GeV Emission
Fermi_2011June.ppt
• GRB090510 triggered by Fermi-LAT/GBM and Swift-BAT
aopt~ -0.5 UVOT
aopt~ 1.1
aX~ 0.7
XRT
aX~ 2.2
LAT
ag~ 1.4
1s
100 s
10000 s
De Pasquale et al., ApJL 709, 146 (2010)
T0+200 sまでの長寿命GeV放射
bg ~1.1でほぼ一定のスペクトル
T. Mizuno et al.
55

Download Report