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銀河中心領域拡散X線放射
松本浩典
(名古屋大学KMI現象解析研究センター)
内容
• 銀河中心diffuse X線放射
– 熱的放射
• 鉄の 6.7keV, 6.9 keV輝線
– 銀河中心領域 (l~0deg, b~0deg)
– バルジ領域(l~0deg, b~1deg)
– リッジ領域 (l~10deg, b~0deg)
非熱的放射(中性鉄蛍光X線)については、時間があれば。
X-ray image of the GC region
Chandra image (100分角×40分角)
Wang et al. 2002, Nature, 415, 148
20arcmin ~ 60pc
•たくさんの点源 (X線連星系)
•Diffuse放射
Red: 1 – 3 keV
Green: 3 – 5 keV
Blue: 5 – 8 keV
銀河中心diffuse X線スペクトル
Suzaku
Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245
X線天文で非常に重要な輝線です
答え: 鉄の特性X線
6.4keV
中性鉄のKα輝線
(Fe I)
6.7keV
ヘリウム状イオン鉄のKα輝線 (Fe XXV)
6.9keV
水素状イオン鉄のKα輝線 (Fe XXVI)
他の特性X線
Fe I Kβ
Ni I Kα
Ni XXVII Kα
& Fe XXV Kβ
Fe XXVI Kβ
& Fe XXV Kγ
Fe XXVI Kγ
すざくX線CCDイメージ
鉄の分布
(3deg × 0.5deg)
Fe I (neutral)
Fe XXV (He-like)
Fe XXVI (H-like)
鉄の分布
6.4keV
6.7keV
6.9keV
• 高階電離の鉄
– 6.7 keV 輝線と 6.9 keV の輝線: 似ている
• 中性の鉄
– 6.4 keV 輝線
– 高階電離鉄分布とかなり異なる。よりpatchy。
高階電離鉄の起源と、中性鉄の起源は、別に考える必要がある。
銀河中心diffuse X線
リッジ領域
(l~10deg, b~0deg)
バルジ領域
(l~0deg, b~1deg)
中心領域
(l~0deg, b~0deg)
銀河中心の高階電離鉄の起源
• 宇宙線中の鉄原子核と、星間ガスの荷電交換反応？
– 中性鉄輝線をも同時に説明しようとする野望。
• 高温ガス?
どうやって区別する？
He状イオン鉄輝線の微細構造を使用。
荷電交換反応
宇宙線中の鉄原子核
Fe+26
He-like Fe line
(6.7keV)
Fe+24
星間ガス
(主に
H, He)
Fe+25
H-like Fe line
(6.9keV)
宇宙線中の鉄イオンが、星間ガス中の水素やヘリ
ウムから電子を強奪する。
ヘリウム状イオン鉄輝線の微細構造
Highly resolved 6.7 keV line
(ASTRO-H衛星ならこう見えるはず)
Energy
W
z
yx
X線CCDでは、これらを分解できない。
あわせて一本の輝線とみてしまう。
輝線の中心エネルギーは、微細構造線の含まれる比率による。
荷電交換反応の場合
E=0
13.6eV
n=1
n~25
H
n=2
6.7keV line
n=1
Fe XXV
• 電子は高エネルギー準位に
入る。
– エネルギー保存則
• 電子は下の準位に落ちてい
く。
• n=2 の各準位(l=0, 1)は、統
計的に埋まっていく。
電荷交換反応の場合
統計的に埋まっていく
Z: 6637eV
Y: 6668eV
X:6682eV
W: 6701eV
すざくX線CCD分解能
中心値~6666eV
•x, y, z 輝線は w 輝線と同程度出る。
•6.7keV輝線の中心エネルギー ~6666 eV.
E
優先的に埋まる
高温ガスの場合
• 基底状態の電子が、衝突
(電磁相互作用)でn=2に
上がる。
– 電気双極子遷移
– スピンは反転しない
すざくCCD 分解能
中心値~6685eV
z
y x
w
• 1P1 準位が優先的に埋ま
る
• W 輝線が強い
• 中心エネルギー~6685eV
すざく衛星観測結果
6680 +/- 1 eV
1. 荷電交換反応
Hi res
CCD
z
w
6666eV
2. 高温ガス
z
高温ガス起源を支持
(Koyama et al. 2007)
w
6685eV
Hi res
CCD
高温ガスの温度を測定する。
He-like Fe K α(6.7keV)
H-like Fe Kα (6.9keV)
He-like Fe Kβ(7.9keV)
輝線強度の比を利用
I(6.9keV)/I(6.7keV): イオン化温度
I(7.9keV)/I(6.7keV): 電子温度
6.9keV輝線強度/6.7keV輝線強度
高温ガスの温度分布(銀径方向)
イオン化温度
kT = 5~7 keV
•イオン化温度 ~ 電子温度 ~ 5 – 7keV
•l = 0.2deg ～ -0.4 deg でほぼ一定
高温ガスの質量測定
連続成分の光度を利用
Thermal bremsstrahlung
Power-law
Lx ∝ np ne V √T  np ne V ~ 1060 cm-3
高温ガスの質量とエネルギー
• Total emission measure (nenpV)~ 1060 cm-3
• 高温ガスは少なくとも1deg (~150pc) に分布
– V ~ 1062 cm3
– ne ~ 0.1 cm-3 (ne ~ np)
• Total thermal energy E ~ 3/2 (ne + np) kT V ~ 10 53 erg
• Total mass M ~ 8000 Msun
エネルギー収支
• 高温ガスの温度 (kT~6keV) >> 重力ポテンシャル
(kT~400eV).
– Mgal ~ 2e11Msun, Rgal ~ 20kpc  (G Mgal mp)/Rgal ~ 400eV
• 高温ガスは逃げていく。
– 1 degree 以上に分布 (~150pc)
– 音波が横切る時間スケール ~ 105 years.
• 音波の速度 (kT~6keV) ~ 108 cm/s
• 全熱エネルギー ~1053 erg
~1048 erg/year のエネルギーが注入されなければならない。
銀河中心部150pcの領域だけで、100年~1000年に一発の
超新星が必要。
対抗説: 分解できない点源の寄せ集め
• 高温ガスを持つ暗い点源がたくさん集まっていたらよい。
– 最有力候補: 激変星Cataclysmic Variable (白色矮星連星系)
• 空間密度 ~ 3x10-5 pc -3
主星
降着流
Accretion stream
kT=1—25keV
磁場を持つ白色矮星
Surface of white dwarf
激変星(CV)のX線スペクトル
Example of CV spectrum
3本の鉄輝線を持つ。
EW of
6.7keV
EW of
6.9keV
CV
GC hot gas
~200eV
~400eV
~100eV
~150eV
Chandraの銀河中心長時間観測(1Msec): 全光度の40%しか点源に分解で
きない (Revnivtsev, Vikhlinin, and Sazonov 2007, A&A, 473, 857).
銀河中心高温ガスを全部CVで説明するのは難しそう。
銀河中心高温ガスの起源
よくわかっていない。
• 超新星爆発説
– エネルギー注入源として最もポピュラー。
• 特性X線を利用した撮像観測で、新X-ray SNRが銀河中心
でよく見つかる。
– kT～6keVの超新星残骸は知られていない。
• 通常 kT～1keV程度
• 過去の銀河中心核の活動？
• その他？
– 磁気的なもの？
バルジ領域: 点源の重ね合わせ
Chandra image at (l, b)=(0.113°, -1.424°)
黒:全スペクトル
青:点源
赤: 黒-青
Chandra spectrum
点源分解率(青/黒)
Revnivtsev et al. 2009, Nature, 458, 1142
バルジ領域のdiffuse X線の起源は、銀河中心とは異なりそうだ。
リッジ領域 (|l|>1deg, b~0deg)
銀径1度以上にも3本の鉄ラインは存在する。
= Galactic Ridge X-ray Emission (GRXE)
Iron line
from GRXE
Yamauchi et al. 2009, PASJ, 61,295
Uchiyama 2010, PhD thesis
I(6.9keV)/I(6.7keV)
リッジ領域のイオン化温度
(水素状鉄Kα/ヘリウム状鉄Kα)
リッジ領域の温度は、中心領域より低い。
Chandra Deep observation (90ksec)
Ebisawa, Maeda, Kaneda, Yamauchi, Science, 2001
(l,b)=(28.45deg, -0.2deg)
点源では説明できなかった
Ebisawa, Maeda, Kaneda, Yamauchi, Science, 2001
リッジ放射を点源で説明す
るために必要なレベル
この観測で検出
された点源
リッジ放射の起源は？
• 高温ガス？
– 中心領域より温度が低い。
• なぜ？
– エネルギー収支の問題は、より深刻になる。
• 分解できない点源の重ね合わせ？
– Chandra 100ks観測でも検出できないほど暗い
– ヘリウム状鉄Kα輝線の等価幅: 300 – 900 eV
• CVにしては大きすぎる。
やはり起源は未解決
銀河中心熱的放射のまとめ
バルジ領域
(l~0deg, b~1deg)
CVの重ね合わせ
リッジ領域
(l~10deg, b~0deg)
起源不明
• 高温ガス？
• CVの重ね合わせ？
中心領域
(l~0deg, b~0deg)
高温ガス (kT~6keV)

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