FERMI Gamma-Ray Space Telescope Collaboration

2011.3.7 日米委員会
FERMI Gamma-Ray Space Telescope
Collaboration
(Large Area Telescope Collaboration)
Yasushi Fukazawa
Hiroshima University
Elliott Bloom
SLAC
参加研究機関
日本
広島大学
大杉節、深澤泰司、水野恒史、
高橋弘充＋学生8
JAXA/ISAS
高橋忠幸、尾崎正伸、大野雅功、田
中康之、奥村暁、L.Stawarz
＋学生5
東京工業大学
河合誠之、谷津陽一、森井幹夫、
浅野勝晃＋学生5
名古屋大学：田島宏康
早稲田大学
片岡淳、中森健之＋学生2
京都大学：窪秀利＋学生1
茨城大学：片桐秀明
米国
SLAC
E.D. Bloom, R. Cameron
E. De Silva, T. Kamae, Y. Uchiyama
R. Dubois, P. Drell, T. Tanaka
NASA/GSFC
J. McEnery, N. Gehrels
Stanford University
P. Michelson (Principal Investigator of LAT)
UCSC
R.P. Johnson, W.B. Atowood, S. Ritz,
H.W.F. Sadorozinski, Abe Seiden
NRL: N. Johson
History
1997 GLAST 参加（釜江、大杉）
1998 日米申請（代表：釜江）シリコン・ストリップ検出器（SSD)R&D
1999 LOIをNASAに提出、公表
2001 日本開発SSDを使う Large Area Telescope 案、採択(代表：大杉）
2002 – 2004 Flight Model SSD 生産、品質検査、放射線耐性検査
2005 – 2006 Large Area Telescope 組み立て、検査
2007 衛星組み込み、完成検査
2008.6.11 Cape Canaveral 基地からデルタ II ロケットで打ち上げ成功,
衛星立ち上げ、LAT電源投入、較正
2008.8.4 観測開始
2011.2 2年半の運用と成果: 約130編の論文
•
•
Measurement of the cosmic ray e+ + e- spectrum from 20 GeV to 1 TeV with the
Fermi Large Area Telescope, Abdo, A. A. et al. 2009, Phys. Rev. Lett., 102, 181101:
citation >450
A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects
Abdo, A. A. et al. 2009, Nature, 462, 331
Fermi-LATの特徴
＊High Detection Efficiency
＊ no consumable element, long life
＊Large Field View 広視野望遠鏡
＊常に空の20% を見る FOV～ 2 str
＊空のあらゆる部分を３時間毎に３０分観測
＊Huge Energy Range ＆ unexplored band
極めて広いエネルギー領域&初の観測領域
LAT: 20MeV ～３００GeV以上
＊Fine Time Resolution & Short Dead Time
0.3 mｓ
＜１００ mｓ
LAT Status & Performance
Number of hot channels
Number of layers =576
No. of channels/layer =1536
Total number of channels=
884,736
203 strips masked (打ち上げ時)
325(1年後） 122/year
333(1.5年後） 16/year
382(2.5年後) 49/year
(0.04%)
Dead channels= 5/layer
(0.35% ,～3000 channels)
~6500 (0.65%)
channels/trigger
Total read out
Channels
=884,736
打ち上げ
現在
sources （> 5 sigma）
- 1,451 sources; Ap. J. Suppl. 1881451
405 (2010)
Now >2000 sources
宇宙線電子スペクトル
フェルミ６ケ月観測結果（赤）
• 高エネルギー宇宙線電子(数100 GeV以上)は
近傍のソース(宇宙線加速器もしくは暗黒物質
起源)をプローブする.
• Fermiは, わずか6ヶ月で他のミッションを圧倒
する超高統計・広帯域の電子陽電子スペクト
ルを取得
• 陽子backgroundを落とすためのイベント選別
には, 高エネルギー加速器実験で用いられる
手法が活用されている.
• 同時期のPAMELA宇宙線観測衛星のデータ
と合わせることで, 近傍の宇宙線加速源もしく
は暗黒物質のモデルに強い制限をつける. 右
図はその一例. (Mass ~ 900 GeV)
• 統計を上げ, 異方性を見ることで, 宇宙線加
速源/暗黒物質シナリオの区別が可能と期待
される.
電子異方性など。。。。
Cosmic-Ray Electron Spectrum
7 GeV – 1 TeV
Accepted for publication in Physical
Review D
extension of analysis reported in Abdo, et al, Phys.
Rev. Lett. 102, 181101 (2009) .
9
宇宙線電子陽電子の到来方向の異方性
もし近くに加速源があれば、その方向が強い
60GeV-480GeVで、上限値0.5-5%
No-anisotropy map
（simulation）
CRE spectrum at Earth
Monogem
Fermi
HESS
今後、データが
蓄積されていくと、さ
らに上限値が下が
る。
Vela
Dipole Anisotropy
Fermi (3s UL)
Significance map
Vela
Monogem
実データ sky map
フェルミ衛星によるダークマターからのガンマ線探査
銀河中心
★ダークマターsatetllite
矮小銀河やダークマターの小塊を
探査。探しやすい
明るいが、天体や宇宙線からのガン
マ線混入が大きいので、難しい
Milky Way Halo
銀河面放射や背景放射との区
別が難しい
All-sky map of
simulated gamma
ray signal from DM
annihilation (Baltz
2006)
★Spectral Lines
★宇宙背景放射
天体からの寄与を考えなくても良い。
天体からの放射との区別が必要
★銀河団
加速粒子からの放射との区別が必要
11
Dark matter constraints
March 2010
Gamma-ray flux upper limits, combined with improved determinations of dark matter density profiles in 8 dwarf galaxies, put limits on
pair-annihilation cross section of WIMPs in several widely studied extensions of the standard model, including its supersymmetric
extension. Able to rule out large parts of parameter space where thermal relic density is below the observed cosmological dark matter
density and WIMPs (neutralinos here) are dominantly produced non-thermally, e.g., in models where supersymmetry breaking occurs
via anomaly mediation. The gamma-ray limits also constrain some WIMP models proposed to explain the Fermi and PAMELA e+e− data,
including low-mass wino-like neutralinos and models with TeV masses pair annihilating into muon–antimuon pairs.
March 2010
Gamma-ray line flux upper limits from 30 to 200 GeV in the
range 0.6–4.5 x109 cm-2 s-1, provide corresponding DM
annihilation cross-section and decay lifetime limits.
April 2010
the isotropic diffuse gamma-ray emission is in good agreement with a power
law, not showing any signature of a dominant contribution from dark matter
sources in the energy range from 20 to 100 GeV. Absolute size and spectral
shape of measured flux used to derive cross section limits on 3 types of generic
dark matter candidates: annihilating into quarks, charged leptons and
monochromatic photons. Derived limits also start to probe cross sections
expected from thermally produced relics.
May 2010
for leptonic annihilation final states and particle masses >
200 GeV, -ray limits exclude large regions of parameter
space that would give a good fit to recent anomalous
Pamela & Fermi-LAT electron-positron measurements
ガンマ線バーストによる量子重力効果の制限
Pulsar
GRB
(Kaaret 99) (Ellis 06)
AGN
(Biller 98)
15
16
1015 1.8x10 0.9x10 1016
GRB
AGN
(Boggs 04) (Albert 08)
4x1016 1017 1.8x1017 0.2x1018
GRB080916C
1018
MQG,1 > 1.60×1019 GeV/c2
今までのあらゆる観測で最も強い制限
ある種の量子重力理論を棄却する
本年度は明るいバーストが発生せず
1.5x1018
GRB090510
Planck mass
min MQG
(GeV/c2)
1019 1.2x1019
1.6x1019
我々の銀河系内部の宇宙線強度分布
予想よりも宇宙線は銀河系外側で多い
Gal.
Center
宇宙線ハローサイズ1,2kpc
Sun
予想していた宇宙線
分布
ガンマ線放射率
II quqd.
宇宙線ハローサイズ4kpc
宇宙線ハローサイズ10,15,20kpc
II quad.
III quad.
銀河系中心からの距離
III quad
他の銀河の宇宙線強度の測定も進んできた
星生成によって宇宙線が生成されて明るくガンマ線で
輝く描像と一致。ただし、おおまかな相関が見つかったばかりで、パルサー
の寄与や閉じ込め効率などの議論は今後。
ガンマ線光度
--- case of a=1.0
Lg ~ SFRa
with a=1.4 +/- 0.3
(fit with Local Group only)
星生成率
クエーサーから、ガンマ線フレアに同期した可視偏光面回転の検出
ガンマ線 (LAT)
g-ray photon
index (LAT)
X-ray
ガンマ線フレアとともに、可
視偏光面の角度が回転
（20日で208度回転）
optical-UV
可視偏光度
シンクロトロン放射は、
磁場とほぼ垂直方向に
偏光
広島大学かなた望遠鏡
可視偏光面の角度（向き）
ジェットの磁場構造の情報
Near-Infrared
Radio
新たなガンマ線AGN: 電波ローブ (Cen A Lobe)
これまで見つかった最も巨大な粒子加速源（数100万光年の大きさ）
Fermi(GeV)
電波(WMAP)
月
700kpc
(注)ローブからの放射はビーミングしていない
ジェットの根元からTeV電子が出ているとすると、300kpcも走る前に、弱ってしまう。
巨大な電波ローブ自体で加速されている（新たな加速機構の可能性）
多数のミリ秒パルサーの発見が続いている。
ミリ秒パルサーは、重力波源として重要
Scott Ransom (NRAO), HEAD meeting talk, March 2010
Nature January 14, 2010
Fermi began the year with recognition as one of the top
10 science breakthroughs of 2009
Science, December 2009
Breakthrough of the Year was the reconstruction of the 4.4-million-year-old
Ardipithecus ramidus skeleton
2011 Rossi Prize
American Astrophysical Society, High Energy Astrophysics Division
2011 Bill Atwood, Peter Michelson, and the Fermi Gamma Ray Space Telescope LAT team
The 2011 Rossi Prize is awarded to Bill Atwood, Peter Michelson, and the
Fermi Gamma Ray Space Telescope LAT team for enabling, through the
development of the Large Area Telescope, new insights into neutron stars,
supernova remnants, cosmic rays, binary systems, active galactic nuclei, and
gamma-ray bursts.
2011年度計画
• 全天サーベイ観測続行＋特異イベント自動指向
• ISOC運用（LATモニター、解析用データ）
• ３極（米国、日本、ヨーロッパ）
２４時間特異現象監視体制
解析・物理
• 3年間観測、点源カタログ公表
• DM観測続行（銀河中心、近隣矮小銀河、銀河団）
• 宇宙線の分布や加速源の探査
• ガンマ線バースト、ブラックホールジェット、超新星残骸、他
の突発天体等の高エネルギー粒子の加速現場
• Reconstructionのアップデート
２０１１年度所要金額
日本の貢献
ＬＡＴ建設費５％
人員
10％
論文貢献
20％
モニター 5～30%
• Common Fund（ISOC運用費）
Full Member: $6.5k, Affiliated Member: $1.3k
• Full member:
15人 X 6.5k = $ 97.5k
• Affiliated member: 8人 X 1.3k = $ 10.4k
Total : $ 107.9k （917万円 @$1=\85）
• 解析用CPU+Disk:
197万
合計
1114万円(1000万円要求）
足りない分は、他費用で賄う
• 旅費
Collaboration Meeting (SLAC/NASA) , Analysis Meetings(in US)
１7名分＝400万円
他の資金獲得状況（２０１１年度）
獲得済み
科学研究費補助金基盤Ｂ（水野） 170万円
科学研究費補助金若手Ｂ（片桐） 100万円
科学研究費補助金若手Ｂ（大野） 80万年
旅費、論文出版費、計算機
申請中、あるいは申請予定
ISAS/JAXA 飛翔体による宇宙観測支援経費
500万円
ISASフェルミ関係活動費、LAT運用経費、旅費
科学研究費補助金新学術領域計画研究（研究代表者：内山）
4570万円
SLAC・宇宙研・名古屋大学のＸ線観測およびフェルミ関係活動費
（計算機、旅費、ＰＤ雇用費）
科学研究費補助金基盤Ｓ（研究分担者：深沢） 1260万円
科学研究費補助金基盤Ｂ（研究代表者：深沢） 1050万円
Ｘ線検出器開発と
広島大でのフェルミ関係活動費（計算機、旅費）
長期計画・見通し
2008.8 – 2013.8 第一期衛星運用・観測（５年）
2009.8 観測データの即時公開開始
2011.2 現在、LATガンマ線望遠鏡は完ぺきな稼働
観測成果論文は80%以上がフェルミ共同研究チーム
2012
第一期運用成果をまとめ公表
第二期運用観測の提案、評価と承認必要
2013.8 – 2018.8 第二期衛星運用・観測（予定）

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