「すざく」XISによる 地球外圏からの軟X線放射の系統探査 石川 久美 全天軟X線放射研究会 2014年5月27日 発表の内容 1. Introduction 2. 解析手順 3. 結果 4. まとめ 1. Introduction 地球SWCX放射 太陽風プロトン : 400 km/s, 10 /cc @ 地球 外圏の中性水素 + 地球周辺に到達した太陽風イオン 軟X線 (系外・系内) X線 天体 SWCX@ 太陽圏 太陽風 ~10RE (地球半径) X線 SWCX@ 地球 イメージ図 地球から観測した全X線データ : 地球近傍からのSWCX放射が含まれる → 地球SWCXのX線観測 : 磁気圏の可視化に期待, 軟X線背景放射への寄与 e solar wind velocity is reduced, which should result in combination into low l-orbitals and strong Lyβ and Lyγ . the “flare” spectrum, both C VI Lyα and Lyγ lines were tected, which is strong evidence for charge exchange. In dition, O VIII n = 3 to 1 and n = 6 to 1 transition lines are o enhanced in the comet emission model (Kharchenko et al. 1. Introduction 03). However, we cannot separate those lines from Fe XVII L mission lines with the present energy resolution. Although the X-ray intensity and the proton flux are correed on a time scale of ∼ 10 hours, they do not show uch correlation Chandra, on short time scales. We consider that the: 観測方向がほぼ太陽側のシース領域に限られ XMM-Newton ort-term X-ray intensity variation at least partly arises from e orbital motion of the spacecraft. In figure 7, we show カスプを含んだ地球近傍を観測できない e geocentric distance of the point whose geomagnetic field Fig. 7. 0.3–2 keV X-ray intensity (upper panel) and geocentric comes open to space for the first time along the line of 太陽と夜側方向 distance of the point whose geomagnetic field becomes open to the すざく : 太陽角制限あり(65 115度で観測可) ght from the spacecraft position (rmp ), i.e., the point where 観測不可 space for the first time along the line of sight from the spacecraft e line of sight encounters the magnetosheath (see also the position (rmp ) in units of the Earth radius (lower panel), as a function hematic view shown in figure 8 for the definition). We evaluof time during the observation from 2005 September 2, 14:54:20 (UT). 時間変動するSWCX放射を4つのデータで検出 ed the end point of the magnetic field using the software See also the schematic view shown in figure 8. EOPACK-2005 and T96 magnetic field model (Tsyganenko, nov 2005 and references therein).7 We obtained the solar色々な方向でSWCX放射を観測 nd parameters required to perform the calculation from the Fujimoto+07 DAWeb (Coordinated Data Analysis Web).8 We find that e line of sight during the present observation was rather ecial in the sense that it goes through the north magnetic le region where charged particles of the magnetosheath can netrate down to 2–8 R⊕ , moving along open field lines. e short-term X-ray intensity variations during the time interls shown by boxes in figure 7 indicate anti-correlation with Satellite Earth e distance to the magnetosheath. This indicates that the arge exchange of solar-wind heavy ions is taking place at Ezoe+10 8 R⊕ , where the neutral matter density is high. Robertson al. (2006) recently studied theoretically solar-wind chargeIshikawa+13 change emission from the magnetosheath. Implications of e present results on the solar-wind ion composition and Ezoe+11 e Earth’s magnetosheath, including comparisons with the Fig. 8. Schematic view of the magnetosphere and the definition of rmp eoretical model,「すざく」の全公開データを解析し、地球SWCX放射を探す will be reported in a separate paper. used in figure 7. Finally, since solar-wind charge-exchange emission can come a significant contaminating foreground in the study 「すざく」による地球SWCX放射の観測 発表の内容 1. Introduction 2. 解析手順 3. 結果 4. まとめ 2. 解析手順 解析データ 「すざく」全公開データ(2005年8月 2011年9月)を解析 : 2031 データ 全データ数 : 観測年の偏りなし 全データの視線方向 : 「すざく」の太陽角の範囲内で偏りなし Z:北磁極 Y 60 45 1 7 2 8 3 9 8月~ 141 340 310 4 10 324 5 11 302 6 12 326 90 北磁極 -180 夜側 15 2005 2006 2007 2008 2009 2010 X:太陽方向 ~9月 285 30 0 SM (Solar Magnetic) 座標系 2011 朝方 0 太陽側 -90 夕方 180 夜側 2. 解析手順 解析概要 天体を含むデータからSWCX放射を抽出する : Ezoe+11 で方法確立 t ~ T - 60分 t=T 太陽風 1.5x106 km 1.5x108 km すざく衛星 軟X線 かつ カウントレート 変動あり 太陽風情報 [ACE, WIND衛星] フラックス 変動あり 地球外圏からの SWCX放射 軟X線カウントレートと太陽風フラックスの変動を探す 2. 解析手順 解析手順 : flowchart step 1 X線カウントレートに変動あるか 太陽風プロトンフラックスに変動あるか 2031 データ Yes step 2 軟X線が増光している領域を確認 太陽風とX線に正の相関あるか Yes step 3 スペクトル作成 SWCXの輝線モデルで再現できたか Yes step 4 X線カウントレート vs 太陽風フラックスを作成 2. 解析手順 Step 1 : X線の変動探し 酸素ライン(0.5-0.7 keV) を使用 2.5 X線イメージ 2048 secbin 2 source [cts s-1] source active quiet 1.5 [cts s-1] 0.15 proton flux [cm-2 s-1] source 以外 1 0.1 0.05 109 5x108 243.1 quiet / active 決定 243.2 243.3 243.4 243.5 day of year in 2005 243.6 243.7 2. 解析手順 解析手順 : flowchart step 1 X線カウントレートに変動あるか 太陽風プロトンフラックスに変動あるか 2031 データ Yes step 2 軟X線が増光している領域を確認 太陽風とX線に正の相関あるか 50 データ Yes step 3 スペクトル作成 SWCXの輝線モデルで再現できたか Yes step 4 X線カウントレート vs 太陽風フラックスを作成 2. 解析手順 Step 2 : イメージ解析 + 太陽風との相関 ratio map 作成 : active / quiet X線イメージ (0.5-0.7 keV) X線増光している領域 : 以降の解析で使用 X線カウントレート(酸素ライン) とプロトンフラックスの 相関係数 : 0.5 正の相関を確認 0 0 0.5 0.5 1 1 1.5 1.5 2 2 active / quiet 比 2.5 2.5 3 3 3.5 3.5 2. 解析手順 解析手順 : flowchart step 1 X線カウントレートに変動あるか 太陽風プロトンフラックスに変動あるか 2031 データ Yes step 2 軟X線が増光している領域を確認 太陽風とX線に正の相関あるか 50 データ Yes step 3 スペクトル作成 SWCXの輝線モデルで再現できたか 38 データ Yes step 4 X線カウントレート vs 太陽風フラックスを作成 2. 解析手順 Step 3 : スペクトル解析 active のスペクトル作成 (quiet を差し引いた) OVII NVII 26+5 -4 [LU] 52±5 [LU] OVIII 23±5 [LU] S 2 residual counts s keV 1 normalized counts -1 -1 s keV 1 CV CVI NVI C band +53 [LU] 59±10 [LU] 29 +5 [LU] 183 35 -+14 [LU] - 63 -3 12 ( LU = ph cm-2 s-1 str-1 ) 0.1 0.01 10223 1 0 1 2 0.2 χ2/d.o.f = 34.3/23 model : Bodewits+07 0.5 Energy (keV) 全てのデータ : SWCX の輝線モデルで再現 2. 解析手順 解析手順 : flowchart step 1 X線カウントレートに変動あるか 太陽風プロトンフラックスに変動あるか 2031 データ Yes step 2 軟X線が増光している領域を確認 太陽風とX線に正の相関あるか 50 データ Yes step 3 スペクトル作成 SWCXの輝線モデルで再現できたか 38 データ Yes step 4 X線カウントレート vs 太陽風フラックスを作成 38 データ 2. 解析手順 Step 4 : emissivity 2 s 1 ] + b 0 0 5000 1044 1.5×1044 5000proton flux [10 10 1.5x10 5 cm 2 s 1] proton flux [105 cm-2 s-1] 2×1044 2x10 CO= 1.3211E 02, LI= 2.1248E 06, WV= 99.58 00 , N= 63.00 -1 0.52-0.6 keV 0.52 0.6 keV[cts [cts ss1] ] 0.02 0.04 0.06 0.08 0.02 0.04 0.06 0.08 プロトンフラックスと酸素(OVII)の輝線フラックス 1 5 直線でフィット : CXIS [cts s ] = a Cproton [10 cm 直線でフィット χ2/d.o.f = 99.58/61 切片 b = 8 13 [LU] : バックグランド放射 (検出器+sky+天体の漏れ込み) 傾き a : 0.005 0.002 [LU/proton flux (105 cm2 s1)] : SWCX emissivity 発表の内容 1. Introduction 2. 解析手順 3. 結果 4. まとめ 3. 結果 SWCX放射の検出数 1 : 視線方向 検出総数 : 38データ (全観測の 2%) 視線方向 : 特に方向性の偏りなし 38データの観測方向 「すざく」の全観測方向 90 北磁極 SM座標 90 北磁極 -180 夜側 朝方 0 太陽側 夕方 180 夜側 -180 夜側 朝方 0 太陽側 -90 -90 夕方 180 夜側 3. 結果 SWCX放射の検出数 2 : 太陽活動との関係 検出率 : 検出数 / 各年の全データ数 太陽活動度(黒点数), Mクラス以上のフレア数 00 20 20 40 40 60 60 80 80 100 20 40 60 80 100 検出率 0 2005 12 2006 24 2007 36 2008 Year Year 48 2009 60 2010 72 2011 フレア率 0.1 0.1 0.2 0.2 0.4 0.3 検出数 黒点数 84 00 00 0.02 0.04 0.08 0.04 0.06 0.08 00 55 10 15 10 15 0 SWCX frac. of SWCX detection num. detections frac SWCX SWCX detection number sunspot number 太陽活動サイクルやフレア数と似た傾向で検出数が変動 0 12 200624 200736 200848 2009 60 2010 72 2011 84 2005 Year 3. 結果 外圏水素密度 (NH) の分布 PSWCX 1 = 4 PSW NH [LU] X線輝線フラックス イオンフラックス 外圏の柱密度 cross section NH : OVII 輝線フラックス, O7+フラックス, α=6x10-15 cm-2 (Bodewits+07) SM座標 90 (北磁極) NH 6e12 6e+12 5e12 5e+12 4e12 4e+12 -180 0 太陽側 180 3e12 3e+12 2e12 2e+12 磁気圏界面までの 距離によって NH 変わる 1e12 1e+12 -90 0 0 ある方向で柱密度が高いといった傾向みられない カスプ 00 0 1 no M A+B C flare class 2 3 4 X 5 フレア規模が大きいほど NH 高い 6 12 -2] 2 H [cm nN H [cm ] 12 12 4x10 4×10 00 4 4 25 25 4 4 O7+ flux [cm-2 -2 s-1] O7+ flux [cm s-1] 2x104 4×10 6×10 6x104 8×10 2×10 20 20 フレア規模ごとの平均値 12 2x10 2×10 00 OVII OVIIflux flux[LU] [LU] 10 15 55 10 15 105 SWCX flux (OVII) と太陽活動の関係 3. 結果 O7+ flux 0 0 no A+B C NH no A+B C M flare class SWCX放射 : 太陽活動にともなう大気の密度変化を反映 2 M 2 4 4 X 6 X 6 ] For geocentric distances r < 6 RE, the density profile equatorial noon is higher than for equatorial midnight. he geocentric distance increases, the density profile for atorial midnight decreases less rapidly than for equatonoon until the former becomes dominant, similar to the mmetry observed by Østgaard et al. [2003]. This mmetry is H less pronounced than that of Zoennchen et al. 10]. ] A north‐south asymmetry also exists, such that the H 外圏密度モデル (シミュレーション、UV観測) sities are depleted at higher geocentric distances in the thern Hemisphere. At 4 RE, the southern polar region 5RE 以上の密度分布 : モデルによってばらつく 40% higher densities than in the northern polar region; N と外圏の密度モデル (フレアなし) 10RE 以上の密度分布 : 分かっていない すざくの結果 フレアなしの時の平均 NH : (5.0 +/- 0.9)x1011 cm-2 密度モデル (Ostgaard+03) の NH : 1x1011 cm-2 (10 42RE 積分) → 観測と合わない 数10 /cc の密度の大気が 30REまで 広がっているかも Bailey+11 3. 結果 発表の内容 1. Introduction 2. 解析手順 3. 結果 4. まとめ 5. まとめ まとめ 「すざく」の全データ(2005年8月 2011年9月)から地球SWCX放射を探した 2031データ中、38のデータでSWCX放射を検出 全てのデータで emissivity, 輝線フラックス, NH を求めた SWCXによるX線放射 : 様々な方向で検出された → 地球外圏のSWCX放射によって磁気圏の形を捉えることに期待 地球外圏の分布 : 太陽活動により変動 + 既存の外圏密度モデルと不一致 → 超高層大気の密度をX線でリモート観測 + 30RE 付近まで濃い大気が広がっている可能性 おしまい 太陽風イオン組成 560 SCHWADRON & CRAVENS TABLE 1 ION ABUNDANCES AND SPECIES USED IN THE FAST AND SLOW SOLAR WIND XQ` [XQ`/O] Fast [XQ`/O] Slow n p (10~15 cm2) C6` . . . . . . . . . C5` . . . . . . . . . N7` . . . . . . . . . N6` . . . . . . . . . N5` . . . . . . . . . O8` . . . . . . . . . O7` . . . . . . . . . O6` . . . . . . . . . O5` . . . . . . . . . Ne8` . . . . . . . Ne7` . . . . . . . Ne6` . . . . . . . Ne5` . . . . . . . Ne4` . . . . . . . Mg10` . . . . . . Mg9` . . . . . . . Mg8` . . . . . . . Mg7` . . . . . . . Mg6` . . . . . . . Mg5` . . . . . . . Mg4` . . . . . . . Mg3` . . . . . . . Si10` . . . . . . . Si9` . . . . . . . . . Si8` . . . . . . . . . Si7` . . . . . . . . . Si6` . . . . . . . . . Si5` . . . . . . . . . S11` . . . . . . . . S10` . . . . . . . . S9` . . . . . . . . . S8` . . . . . . . . . S7` . . . . . . . . . S6` . . . . . . . . . S5` . . . . . . . . . Fe13` . . . . . . . Fe12` . . . . . . . Fe11` . . . . . . . Fe10` . . . . . . . Fe9` . . . . . . . . Fe8` . . . . . . . . Fe7` . . . . . . . . 0.085 0.440 0.000 0.011 0.127 0.000 0.030 0.970 0.000 0.102 0.005 0.000 0.000 0.000 0.029 0.044 0.028 0.007 0.003 0.000 0.000 0.000 0.024 0.045 0.022 0.002 0.000 0.000 0.001 0.008 0.027 0.023 0.005 0.001 0.000 0.005 0.017 0.025 0.025 0.015 0.005 0.001 0.318 0.210 0.006 0.058 0.065 0.070 0.200 0.730 0.000 0.084 0.004 0.000 0.000 0.000 0.098 0.052 0.041 0.017 0.009 0.000 0.000 0.000 0.021 0.049 0.057 0.000 0.000 0.000 0.000 0.005 0.016 0.019 0.006 0.002 0.000 0.002 0.007 0.023 0.031 0.041 0.034 0.007 4 3 5 4 3 5 5 4 3 5 5 4 3 3 6 6 5 5 4 3 3 2 6 6 5 5 4 3 7 6 6 5 5 4 3 8 8 7 6 6 5 5 5 2 12 5 2 6 12 5 2 6 12 5 2 4 8 13 6 12 5 2 4 1 8 13 6 12 5 2 13 10 12 9 12 8 4 17 24 15 8 13 6 12 b Fast (10~12 s~1) b Slow (10~12 s~1) 4. 考察 Vol. 544 b@ Fast (10~12 s~1) Schwadron+00 b@ Slow (10~12 s~1) E n?n0 (eV) 55 179 55 179 459 114 47 168 226 348 0 8 0 8 640 7 33 7 41 518 33 15 40 55 74 0 47 0 47 871 46 270 46 317 709 626 410 672 727 103 0 0 672 727 63 79 57 79 57 201 8 5 87 62 174 0 0 87 62 119 0 0 87 62 70 0 0 87 62 54 30 88 30 88 368 74 76 104 164 328 22 28 125 192 266 11 23 136 215 225 2 5 138 220 187 0 0 138 220 141 0 0 138 220 109 0 0 138 220 109 25 19 25 19 356 75 72 100 90 312 17 38 117 129 255 3 0 120 129 208 0 0 120 129 154 0 0 120 129 93 2 0 2 0 565 10 6 12 6 505 42 22 54 27 447 27 19 81 46 379 8 8 88 54 328 1 2 89 56 281 0 0 89 56 88 11 4 11 4 310 53 19 64 23 285 48 39 112 61 237 26 28 138 89 197 25 60 163 149 176 from T = Figure 5. Obs301 background-subtracted spectra integrated 4 23 167 8 172 8 1.200918 × 10 s to 1.201035 × 10 s (left-hand panels)97 and from T = 2 9 168 8 182 80 8 1.201035 × 10 s to 1.201230 × 10 s (right-hand panels). Contributions are shown from soft protons (red), the non-variable diffuse sky background (blue) and these components combined (green). The variable excess flux, summation extends all charge states Q@` that give seenThe in the lower panels, is dueover to SWCX. A CME as seen by XMM–Newton Carter+10 Table 3. Measured fluxes in the SWCX spectral model. Ion Principal energy (keV) Ion ratio/O VIII flux CV C VI N VI N VII O VII 0.299 0.367 0.420 0.500 0.561 0.50 (0.16) 0.28 (0.08) 0.06 (0.05) 0.19 (0.03) 0.12 (0.03) O VIII 0.653 2.70 (0.09) Fe XVII Fe XVII Fe XVIII Fe XIX/Ne IX Fe XX Ne X Fe??/Ne IX Fe XX/Ne X Mg XI Mg XII Mg XI Al XIII Si XIII Si XIV 0.73 0.82 0.87 0.92 0.96 1.022 1.10 1.22 1.33 1.47 1.60 1.73 1.85 2.00 0.13 (0.01) 0.05 (0.02) 0.10 (0.03) 0.14 (0.03) 0.09 (0.02) 0.46 (0.02) 0.20 (0.01) 0.08 (0.01) 0.28 (0.01) 0.29 (0.02) 0.06 (0.01) 0.08 (0.01) 0.30 (0.02) 0.15 (0.02) Total SWCX (pn normalization = 1.0) MOS1 normalization MOS2 normalization 12.58 (0.20) 0.80 (0.02) 0.92 (0.02) Reduced χ 2 /degrees of freedom 1.17/1546 Note. Here, we list only the principal transitions from C, N and O plus the additional selected transitions from Ne, Mg, Si and Fe. The figure for O VIII is the measured flux in units of 10−8 ergs cm−2 s−1 sr−1 . The remainder of the table is the ratio of the measured flux for that ion to O VIII and the total flux of the SWCX model. In Table 3, we list the flux of the O VIII line at 0.65 keV and the ratio of the fluxes for each of the other ions to O VIII, and the total flux of the SWCX model. As with our analysis of the diffuse sky background in Obs101, the broad-band MOS fluxes are lower than that measured by the pn by a similar factor. In a study of the intercalibration of point sources from the 2XMM catalogue, Mateos et al. (2009) found the reverse trend; on average the MOS cameras register a higher flux than the pn by 7– CME時、Fe, Ne, Mg, ..to などの輝線が見えた rise charge state Q ] , and Q is the maximum charge (Suzaku, XMM) L \ ; b(XQ`)E (X(Q~1)`) . (4) max case is given by n?n0 species Here the summation extends over all solar wind species (X(Q~1)`) denotes (element X with charge state Q) and E n?n0 energy level n to the energy released in the transition from thin state of elemental species X in the solar wind. For example, the emission rate per cometary neutral for a given line, e.g., n \ 3 ] n \ 2 for species O5`, is the sum over the reaction 0 by Bodewits (2007) (table O7` 8.2), who calculated relative emisrates of species O6`, and has O8` that givethe rise to the 873 Wargelin, et al. CX direct excitation と CX 22 4. 考察 target によるスペクトルの違い unknown Vol. 99, 2008 Fig. 23. Experimental He-like and H-like Fe spectra from direct excitation at 15 keV (top) and from CX with N2 (bottom). Both spectra were collected using the XRS microcalorimeter. The w line is relatively much weaker in the CX spectrum and the Lyα1 /Lyα2 ratio is nearly unity instead of 2:1. that cosmic-ray CX was not a significant contributor to the observed signal (see Section 3.3). 5.4. Multi-Electron Targets Although the general features of CX spectra are largely independent of the target species, the effects of differing ionization potentials and multiple electrons can be quite pronounced, particularly on high-n emission lines. Figure 24 shows results from EBIT experiments and CTMC calculations for CX of bare ! 8+ O with several targets of differing ionization potentials. As expected from its IH /In dependence (see Eq. 1), nmax decreases as the ionization potential increases. Similar behavior is seen in Figure 25 for the high-n lines of H-like Fe for CX with N2 (15.6 eV), H2 (15.4 eV), and He (24.6 eV). Theoretical models are less successful, however, in predicting line intensities. Model results using the Classical Trajectory Monte Carlo method are shown in Figure 24. Although the model usually does a good job of predicting nmax for the O spectra, the intensities of high-n lines relative to Lyα, especially for n near n is often poor. For higher-Z projectiles, discrepancies between theory and Fig. 24. Experimental and CTMC model H-like O spectra from CX of O8+ with several neutral gases. The n level of maximum likelihood for electron capture (nmax ) decreases as the target ionization potential increases approximately as expected, but the observed high-n line intensities are generally smaller than predicted. Adapted from [128]. Fig. 25. High-n CX of Fe26+ w the effect of tar qualitative beha nmax are larger CX with atomic Wargelin+08 simple calculations. Recent measurements at the Berlin EBIT [133] have confirmed large hardness ratio observed for Ar17+ after interacting with ne extracted Ar18+ ions and, as in crossed-beam experiments, had them Surprisingly, the observed hardness ratio was much smaller and i shown in Fig. 25. This result suggests that conditions in the cross way from those in the EBIT measurement. One difference might be 5. まとめ 将来の展望 今回の成果 輝線強度 輝線の強度比 輝線幅 輝線のドップラーシフト 地球外圏大気の分布・組成 磁気圏の全体像 太陽風イオンの輸送 より詳細に SWCX X-rays 太陽活動が活発 フレア Earth s exos SWCX放射 neutrals & ion 強まるよ exosphere (mainly H):SWCX, • 次期X線観測衛星 : ASTRO-H 衛星 Distribution of neutrals, Ion tra • 将来衛星 : X線による磁気圏観測ミッション SXS, 50 Lyα !"# NVII Lyβ NVII NVII Lyγ Lyδ !"# !"## !"$ 18*&&.+0.&.(9:0;6.7< Energy (keV) !"$# (Ezoe+12, asj) !"' OVIII z,xy,w C z, ! OVII Lyα ()*+,-./0123)4(5676037809 Count/s/keV シミュレーションによる SWCX放射のスペクトル例 SWCX model : Bodewits+07 soft X-ray background (Yoshino+09) NVII ! X線 &'()*+,-./01'2&3454.156.7 Count/s/keV % 太陽風 & /*3*0*&/0E'+/./0)'/.+ =>?@A=@B!CA&D%.C%A=@=AE+*3A#!64A.F3A4G.1"G,0=@BA&D%.C%A=@=AE+*3A#!64A.F3A4G. ?@ 太陽風 (Schwenn+00) 速度 プロトン密度 source 温度 slow 250-400 km/s 10.7 /cc 低緯度 1.2-1.7x106 K fast 400-800 km/s 3.0 /cc 高緯度コロナ ホール <1.2x106 K Solar Magnetic coordinate 90 北磁極 Z軸 (北磁極) -180 夜側 XZ面 朝方 0 太陽側 -90 Y軸 (夕方) X線 X軸 太陽風 X線 夕方 180 夜側 その他のX線観測衛星 Swift (2004-, 米) XRT 0.2 10 keV 検出器 : X線 CCD orbit : 近地球軌道 高度 580 km energy resolution : 140 eV @ 6 keV 有効面積 @ 1.5 keV : 110 cm2 MAXI (2009-, 日) SSC 0.5 12 keV 検出器 : X線 CCD orbit : 近地球軌道 高度 400 km energy resolution : 150 eV @ 6 keV 有効面積 @ 1.5 keV? : 200 cm2 広がったSWCX放射の観測 : XMM-Newton と「すざく」が有利
© Copyright 2025 ExpyDoc