新星 晩期型星 or 赤色巨星 (IR ~ Optical) 白色矮星 (X-rays) 降着円盤 (Optical ~ UV) 2/59

http://photojournal.jpl.nasa.gov/archive/PIA09221.mov

X線による古典新星の研究

武井 大 （立教大学）

新星

晩期型星

or

赤色巨星

(IR ～ Optical)

白色矮星

(X-rays)

降着円盤

(Optical ～ UV)

擬似光球

5/59

http://photojournal.jpl.nasa.gov/archive/PIA09221.mov

?

擬似光球

(Optical ～ UV)

ダスト ?

(Near-IR)

① 擬似光球

(超軟X線)

② 衝撃波

(熱的X線)

③ 加速した粒子 ?

(非熱的X線)

① 擬似光球

(超軟X線)

7/59

もくじ

1.

古典新星について

-

古典新星とX線

-

X線観測の意義

2. X線による観測

-

方法と装置の紹介

-

すざく衛星による観測結果の紹介

3. 議論

4. まとめと展望

星（恒星）の一生と

白色矮星

• 恒星は中心の核融合による圧力

と重力収縮が均衡したシステム

• 質量により進化シナリオが異なる

• 白色矮星は恒星の取り得る3つの

最終形態のうちの1つ

8M。以下 :

8～20M。 :

20M。以上 :

白色矮星

中性子星

ブラックホール

.

.

.

9/59

白色矮星の大きさ

R ～ 696000 km

太陽 （恒星）

R ～ 6400 km

地球

R ～ 6000 km

白色矮星

R ～ 2GM/c

2

ブラックホール

R ～ 10 km

中性子星

http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime/eit_304/1024/latest.gif http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/The_Earth_seen_from_Apollo_17.jpg

CO ONe

(Heavy)

(Light)

• Degenerate star (electron degenerate)

- Mass limit : M

_ch

～ 1.4 M。

(Chandrasekhar 1931)

• Mass-Radius relation

- More massive WDs are smaller

(Nauenberg 1972)

Primary Star (White Dwarf)

11/59

古典新星とX線

CO ONe

質量降着

(主に水素のガス)

C

N

O

Ne

Mg

Si

C

N

O

超軟X線

（①）

白色矮星の表面が

高温かつ高圧になる

硬X線

（②&③）

体積物

( 主に水素のガス )

(重い)

(軽い)

エジェクタ

( 核燃焼の生成物 + 白色矮星の物質 )

Mixing ... ?

TNR : Thermo Nuclear Runaway

Mixing?

TNR

Mixing?

TNR

質量降着

(主に水素のガス)

Radio

IR

典型的な光度曲線

① 超軟X線

② 熱的X線

?

?

③ 非熱的X線 ?

（＋ガンマ線 ...?）

13/59

もくじ

1.

古典新星について

-

古典新星とX線

-

X線観測の意義

2. X線による観測

-

方法と装置の紹介

-

すざく衛星による観測結果の紹介

3. 議論

4. まとめと展望

研究の意義

•

とにかく数が多い （超新星爆発の約千倍）

a. 最後には超新星爆発（Ia型）を起こす？

b. 飛び散ったガスは銀河の化学組成に効く？

c. 宇宙線粒子加速への寄与は？

X線･ガンマ線の観測データは皆無

高エネルギー放射はどこから来るのか？

誰もやっていない （最重要項目！）

観測装置の発達と人脈で可能となった

論文が書きやすい （≧1 paper source

-1

_）

15/59

a. 超新星爆発への道

http://photojournal.jpl.nasa.gov/archive/PIA09221.mov ; http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Tycho-supernova-xray.jpg

静穏状態

爆発時

質量損失 ...

質量増加 ...

Ia型

超新星爆発

？

• 超軟X線からWDの質量推定

• 熱的X線からエジェクタの診断

• 質量推移の見積もりが可能

→ 極めて良質な観測が必要...

b. 銀河の化学組成

• 古典新星は超新星爆発よりも圧倒的に数が多い

• エジェクタの化学組成は銀河にも影響する？

• 個々の古典新星は熱的X線から調査が可能

• 多くの観測結果からの系統的な理解が重要となる

WD

エジェクタからのX線

X線

速度の違いにより

衝撃波が形成

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c. 宇宙線の起源

• 現在、宇宙線の起源は超新星残骸という説が有力

• 古典新星の爆発は超新星爆発と類似点が多い

• 超新星と同様に衝撃波で粒子が加速されるかも？

Diffusive Shock Acceleration

下流

上流

Wave

Shock

SNR (SN 1006)

http://heasarc.gsfc.nasa.gov/Images/asca/sn1006.gif http://vega.ess.sci.osaka-u.ac.jp/info/HE08/HE08/hoshino.ppt; http://www.astro.isas.ac.jp/xjapan/news/article/2004/1209

研究の意義

•

とにかく数が多い （超新星爆発の約千倍）

a. 最後には超新星爆発（Ia型）を起こす？

b. 飛び散ったガスは銀河の化学組成に効く？

c. 宇宙線粒子加速への寄与は？

•

X線･ガンマ線の観測データは皆無

–

高エネルギー放射はどこから来るのか？

•

誰もやっていない （最重要項目！）

–

観測装置の発達と人脈により可能となった

•

論文が書きやすい （≧1 paper source

-1

_）

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もくじ

1. 古典新星について

-

古典新星とX線

-

X線観測の意義

2.

X線による観測

-

方法と装置の紹介

-

すざく衛星による観測結果の紹介

3. 議論

4. まとめと展望

X線による観測の現状

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e.g., Classical Novae 2009

1.

2009.02.23 : V5582 Sagittarii

2.

2009.05.08 : V1213 Centauri

3.

2009.05.28 : V5581 Sagittarii

4.

2009.08.06 : V5583 Sagittarii

5.

2009.08.16 : V2672 Ophiuchi

6.

2009.10.26 : V5584 Sagittarii

7.

2009.11.08 : V496 Scuti

8.

2009.11.25 : KT Eridani

9.

2009.12.14 : V1722 Aquilae

(高兴)

(G. Pojmanski)

(西山浩一,椛島富士夫)

(西山浩一,椛島富士夫)

(板垣公一 )

(西山浩一,椛島富士夫)

(西村栄男 )

(板垣公一 )

(西山浩一,椛島富士夫)

X線による観測の現状

1.

古典新星が発見される

-

可視の最大光度やスペクトルから判断して...

23/59

Swift衛星

http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/news/swift.jpg

NASAのγ線バースト探査衛星 （2004年11月20日）

非常に素早く衛星の向きを変更する事が可能

空き時間に古典新星などの追観測も実施

γ線バーストアラート望遠鏡 （BAT）

X線望遠鏡 （XRT）

可視-紫外線望遠鏡 （UVOT）

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Swift衛星の観測 （e.g., V2491 Cyg）

X線による観測の現状

1.

古典新星が発見される

-

可視の最大光度やスペクトルから判断して...

2.

Swift衛星で短時間の即応観測

-

X線が検出された場合は...

3.

様々な衛星で詳細分光観測

http://chandra.harvard.edu/graphics/resources/illustrations/chandra_gcenter.jpg

NASAのX線天文衛星 （1999年7月23日）

Great Observatories 計画 第3弾

現在最高の空間分解能を持つ

X線CCDカメラ （ACIS-I, ACIS-S）

X線透過型回折格子 （LETG, METG, HETG）

X線高解像度カメラ （HRC）

XMM-Newton衛星

ESAのX線天文衛星 （1999年12月10日）

現在最高の集光力を持つ

X線CCDカメラ （EPIC-MOS, EPIC-PN）

X線分散分光器 （RGS）

可視光モニター （OM）

29/59

OVIII

NVII

NVI

X線分散分光器による観測

Page, K. L., et al. 2009, MNRAS, 1602 Ness, J.-W., 2007 (http://xmm.esac.esa.int/external/xmm_science/workshops/2008symposium/ness_ju.pdf)

明るい状態のみ

観測が可能

X-ray Satellite

Suzaku （すざく）

日本で5番目のX線天文衛星 （2005年7月10日）

高い分光能力と集光力、低いバックグラウンド

4桁もの広いエネルギー帯域で同時観測が可能

X線CCDカメラ （XIS）

硬X線検出器 （HXD）

すざく衛星

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すざく衛星の検出器

XRS

(0,1, ,3)

(PIN,GSO)

Not-Working...

Bandpass

0.2 ～ 12 keV

15 ～ 600 keV

Spatial Resolution

～2 arcm. (HPD)

N/A

Energy Resolution ～130 eV @ 6 keV

～4.0 keV (PIN)

Time Resolution

8 sec

61μsec

2

XIS

HXD

Suzaku

http://eda.plain.isas.jaxa.jp/suzaku_xoops/modules/newbb/download.php?url=/Bamba_Bamba_Aya.ppt.1149042392000 http://www.astro.isas.jaxa.jp/suzaku/overview/

すざく衛星と古典新星

• 高集光力、中分光能力、低バックグラウンド

• 広いエネルギー帯域 （0.2-600 keV）

• 10 keV 以上での高い感度

33/59

X線による観測の現状

1.

古典新星が発見される

-

可視の最大光度やスペクトルから判断して...

2.

Swift衛星で短時間の即応観測

-

X線が検出された場合は...

3.

様々な衛星で詳細分光観測

-

結果を本講演にて紹介！

もくじ

1. 古典新星について

-

古典新星とX線

-

X線観測の意義

2.

X線による観測

-

方法と装置の紹介

-

すざく衛星による観測結果の紹介

3. 議論

4. まとめと展望

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Suzaku View : Classical Novae

ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey (0.73-1.56 keV) http://skyview.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/query.pl

① Suzaku J0105-72 (2005.08)

- Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

② V458 Vul (2007.08)

- Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69

③ V2491 Cyg (2008.04)

- Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54

- Takei et al. (2010), AN, 331, 183

- Takei et al., in prep.

⑤ U Sco (2010.01)

- Takei et al., in prep.

④ V2672 Oph (2009.08)

Radio

IR

光度曲線と観測時期

① 超軟X線

③ 非熱的X線 ?

② 熱的X線

?

?

V2491 Cyg （2回）

U Sco （3回）

V2672 Oph （2回）

V458 Vul （1回）

Suzaku J0105-72 （1回）

Suzaku View : Classical Novae

① Suzaku J0105-72 (2005.08)

- Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

② V458 Vul (2007.08)

- Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69

③ V2491 Cyg (2008.04)

- Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54

- Takei et al. (2010), AN, 331, 183

- Takei et al., in prep.

⑤ U Sco (2010.01)

- Takei et al., in prep.

④ V2672 Oph (2009.08)

39/59

Discovery of Suzaku J0105-72

Position reconstructed; Outside of the XIS FoV.

Takei et al. 2008, PASJ, 60, S231

Serendipitous discovery of a transient source during a

series of routine calibration observations of 1E0102.2-7219.

Suzaku J0105-72 : Position

X-ray Source

Optical Source (B0)

41/59

Suzaku J0105-72 : Light Curve

x

10

3

Duration is a function

of white dwarf mass.

Suzaku (XIS)

Decline of the brightness...

Chandra (ACIS)

Suzaku J0105-72 : Spectrum

WD Atmosphere

- O

_VII

Absorption Edge (τ ～ 1.2 )

Small Magellanic Cloud : 60 kpc

- L

_bol

～ 10

37

_{erg s}

-1

- R

_WD

～ 10

8

_cm

Continuum

- Blackbody ( kT ～ 72±2 eV )

All these properties indicate that

this is a super-soft source.

The temperature and duration

are functions of the WD mass.

.

- WD Mass ～ 1.2 M。

43/59

Suzaku View : Classical Novae

ROSAT ALL-Sky X-ray Background Survey (0.73-1.56 keV) http://skyview.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/query.pl

① Suzaku J0105-72 (2005.08)

- Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

② V458 Vul (2007.08)

- Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69

③ V2491 Cyg (2008.04)

- Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54

- Takei et al. (2010), AN, 331, 183

- Takei et al., in prep.

⑤ U Sco (2010.01)

- Takei et al., in prep.

④ V2672 Oph (2009.08)

Classical Nova V2491 Cygni

- Discovery on 2008 April 10.728 (UT)

(Nakano et al. 2008, IAUC, 8934, 1)

- Swift detected X-rays on day 5

(Page et al. 2009, MNRAS, submitted.)

- XMM-Newton observed on day 40 and 50

(Ness et al. 2009, in prep.; Takei et al. 2009, in prep.)

- X-rays were detected in the pre-nova phase

45/59

V2491 Cyg : 光度曲線

The optical data were provided by the variable star observations from AAVSO International Database and VSOLJ Observation Database

Day 9

V2491 Cyg : スペクトル (Day 9)

古典新星から史上最高の70 keVまで

伸びる超硬X線スペクトルを検出 !!

47/59

V2491 Cyg : スペクトル (Day 9)

Takei et al. ,2009, ApJL, 697, 54

Discussion

Electron

Photon

X-ray

-①

Magnetic

Field

Electron

X-ray

-②

Electron

X-ray

Proton

-+

Non-thermal particles

- Theoretical works

(e.g., Tatischeff & Hernanz 2007)

- Radio synchrotron (RS Oph)

(e.g., Rupen et al. 2008)

- Gamma-ray obs. (V407 Cyg)

(Cheung et al. 2010)

What is the origin of the very

flat power-law spectra ...?

49/59

Discussion

Electron

Photon

X-ray

-①

Magnetic

Field

Electron

X-ray

-②

Electron

X-ray

Proton

-+

③

Power-law Spectrum

- Photon Index

- Energy Index

- Photon Flux

- Energy Flux

: Γ = 0.1

: α =Γ- 1

: F

_P

(E) ∝ E

-Γ

: F

_E

(E) ∝ E

-α

Electron Population

- Distribution

- ① IC, ② Sync.

- ③ Bremss.

- Number Index

: N

_e

(E) ∝ E

-P

: P ≦ 2Γ- 1

: P ≦ Γ- (1/2)

: P ≦ -0.4

Let

_{’s compare the value with}

that of acceleration models !!

• Diffusive Shock Acceleration model (P ≥ 2.0)

(e.g., Blandford & Ostriker 1980, ApJ, 237, 793)

• Flat population cannot be explained...

(Takei et al. 2009, ApJL, 697, L54)

Diffusive Shock Acceleration

Downstream

Upstream

Wave

Shock

SNR (SN 1006)

Standard Acceleration Model

51/59

昨日に新たな展開!!

β

+

_崩壊（

22

_{Na -}

22

_{Ne）のガンマ線輝線（511keV＋}

1.27MeV）とコンプトン散乱で説明可能らしい...

（Suzuki & Shigeyama 2010, ApJ, Submitted）

Suzaku View : Classical Novae

① Suzaku J0105-72 (2005.08)

- Takei et al. (2008), PASJ, 60, S231

② V458 Vul (2007.08)

- Tsujimoto et al. (2009), PASJ, 61, S69

③ V2491 Cyg (2008.04)

- Takei et al. (2009), ApJL, 697, 54

- Takei et al. (2010), AN, 331, 183

- Takei et al., in prep.

⑤ U Sco (2010.01)

- Takei et al., in prep.

④ V2672 Oph (2009.08)

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Classical Nova V2672 Ophiuchi

http://www.astroarts.jp/news/2009/08/18nova_oph/noph2009_confirm.jpg

- Discovery on 2009 August 16.515 (UT)

(Nakano et al. 2008, CBET, 1910, 1)

- Swift detected X-rays on day 1

(Schwarz et al. 2009, ATel, 2173, 1)

- Suzaku observed on days 12 and 22

Day 22

Day 12

55/59

V2672 Oph : X-ray Spectra

もくじ

1. 古典新星について

-

古典新星とX線

-

X線観測の意義

2. X線による観測

-

方法と装置の紹介

-

すざく衛星による観測結果の紹介

3.

議論

4. まとめと展望

57/59

まとめと展望

•

新星のX線観測はようやく可能となってきた

– 爆発初期の観測は新発見の宝庫

– 爆発中期の観測からは爆発の描像がわかる

– 爆発後期の観測から白色矮星の状態がわかる

•

非熱的X線の発見による新たな展開

– 新たな描像の構築が必要不可欠

– 新星も宇宙の粒子加速に寄与しているかも？

– 他から同様の放射を検出して、放射起源に迫りたい

•

博士論文、今後の観測に乞うご期待！