榎戸輝揚氏のプレゼンテーションファイルは 宇宙科学奨励賞について | 宇宙科学振興会

超強磁場中性子星マグネターに関する研究

観測上の多様な振る舞いの統一理解と

 将来観測実験の推進

榎戸

輝揚

2017年度 第10回宇宙科学奨励賞 (宇宙理学分野)

京都大学

白眉センター / 宇宙物理学教室

(Ｘ線天文学者)

2017年度 第10回宇宙科学奨励賞 (宇宙理学分野)

Image Credit: Yoshida w/ permission

はじめに

:

お世話になった皆様へ

• 本奨励賞にご推薦いただいた堂谷忠靖先生

• 大学院からご指導いただいている牧島一夫先生

• K. Gendreau 博士, Z. Arzoumanian 博士, 岡島崇 博士をはじめと

した NICER 検出器・サイエンスチーム

• 研究員時代を支えてくださった、玉川徹先生, 柴田晋平先生,  上

田佳宏先生, 田島宏康先生, R. Blandford 先生, K. Jahoda 先生

• すざく衛星をはじめとする、Ｘ線天文学のみなさま

• 田中孝行さん、山口弘悦さん、北口貴男さん、岩切渉さん、 木

坂将大さん、中野俊男さん他、先輩・同僚・後輩のみなさま

3

田中靖郎先生へのご報告

田中靖郎先生 嘉子さん 笹野理君

中野俊男君 榎戸

ひのとり (1981), てんま (1983), あすか (1994) から日本の

Chandra, Hubble, and Spitzer image (NGC 1952)

チャンドラＸ線望遠鏡

かに星雲

半径10 km, 太陽質量程度

地上で実現できない

高密度、強重力、強磁場 高速回転、強輻射場など

重力

白色矮星

中性子星

:

超新星爆発が残すコンパクト天体

(ref) http://www.maa.mhn.de/Scholar/Starlife/evolutnc.html

重力

中性子星

p + e− _{→ n + ν}

陽子

電子

中性子

ニュートリノ

電子の縮退圧 中性子の縮退圧

より正確には「核力」が効いて支えられる

ガス圧+放射圧

重力

主系列星

ブラックホー

6

パルサー発見から

50

周年

Four-acre array at the Mullard Radio Astronomy Observatory, Cambridge, UK, Credit: Graham Woan (J. B. Burnell, 2017, Nature astronomy)

r

Credit: Daily Herald Archive SSPL / Getty Images

Hewish & Bell et al.,1968, Nature

パルサー発見の電波望遠鏡 Jocelyn Bell Burnell

1967

J. B. Burnell さん

7

中性子星の多様性

:

進化の統一的理解へ

Credit: Daily Herald Archive SSPL / Getty Images

CP1919

(PSR J1921+2153)

P=1.33 s

1967年11月28日

自転周期 (s)

周期変化率

(s

/s

)

1 0.1

10-2 ₁₀

10-21

10-10

10-12

8

中性子星の多様性

:

進化の統一的理解へ

Credit: Daily Herald Archive SSPL / Getty Images

自転周期 (s)

周期変化率

(s

/s

)

1 0.1

10-2 ₁₀

10-21

10-10

10-12

10-14

Crab Pulsar

(PSR B0531+21)

P=0.033 s

CP1919

1968年

(+1年)

David A. Moffett et al., ApJ 468, 779-783 (1996) P = 33 ms

_Pdot = 4.2x10-13 s/s

低周波電波

赤外線 可視光

X線

9

中性子星の多様性

:

進化の統一的理解へ

自転周期 (s)

周期変化率

(s

/s

)

1 0.1

10-2 ₁₀

10-21

10-10

10-12

10-14

2017年

ATNF v1.57

TE, Kisaka, Shibata, 2018

2500 (

• 可視光

• X

10

中性子星の多様性

:

進化の統一的理解へ

自転周期 (s)

周期変化率

(s

/s

)

1 0.1

10-2 ₁₀

10-21

10-10

10-12

10-14

統一的理解への挑戦 （どう進化するか？）

2500 (

• 可視光

• X

• ガンマ線

電波パルサー マグネター

XDINS

連星中の電波パルサー ミリ秒パルサー

CCO 強磁場パルサー

「中性子星」研究の 醍醐味は基礎物理と

多様性が両立！

強磁場

弱磁場 若い

老齢

10₁₄ G 10 ₁₃ G 10₁₂ G 10 ₁₁ G

臨界磁場

11

宇宙最強の磁石星

マグネター

0 50 100 150 200 250 300

2 10 3 10 4 10

SGR 1806-20

27 Dec. 2004

軟ガンマ線リピーター

Soft Gamma Repeater (SGR) Anomalous X-ray Pulsar (AXP)特異Ｘ線パルサー

Ｘ線光度 >> スピンダウン光度

超新星残骸 CTB109

AXP

1E 2259+586

Sasaki et al., 2004

52光年

巨大ガンマ線フレアなどの爆発現象

0 50 100 150 200 250 (秒) 102

103

カウント/0.25秒

SGR 1806-20

2004年12月27日

SGR と AXP は中性子星より2桁以上に磁場が強く、

磁気エネルギーで輝く新種の天体か？(マグネター仮説)

1044 _erg

(C) ISAS/JAXA

Ｘ線天文衛星すざく

:

硬Ｘ線での奮闘

13

磁気活動で突発的に明るくなるマグネター

1 mCrab level

Ｘ

線

フ

ラ

ッ

ク

ス

(erg s

-1 cm -2 )

10-12

(b) (a)

10-10

10-9

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 103

104

レー

ト

すざく衛星による観測

3 時間

Ｘ

線

カ

ウ

ン

ト

数 (15.6 ms)

-1

時刻 (s)

νF

ν

(keV

2 s -1 cm -2 keV -1 )

X線エネルギー (keV)

星表面から

の熱放射 磁気圏からの非熱的放射？

(c) (d)

• Swift 衛星の活躍で突発増光する新天体の発見が増加

• すざくも新天体 SGR 0501+4516 を世界に先駆け報告

1E 1547.0-5408

(Enoto et al., ApJL 2009, ApJ 2010)

• AXP 1E 1547.0-5408 では、連射されるバースト放射を

軌道上で検出し、増光中の天体に緊急観測を実施した

(Enoto et al., PASJ 2010, MNRAS 2012)

14

マグネター活動期に硬Ｘ線放射を発見

Ｘ

線

フ

ラ

ッ

ク

ス

(erg s

-1 cm

-2 ) (b) (a)

レー

ト

すざく衛星による観測

時間

Ｘ

線

カ

ウ

ン

ト

数 (15.6 ms)

-1

時刻 (s)

νF

ν

(keV

2 s -1 cm -2 keV -1 )

10-6

10-4

10-2

100

X線エネルギー (keV)

1 10 100

星表面から

の熱放射 磁気圏からの非熱的放射？

(c) (d)

星表面からの熱放射のみと思われていたマグネターで 硬Ｘ線で卓越する放射成分を見つけ観測の窓が広げた

Enoto et al., PASJ 2010, see also., Kuiper et al., ApJ 2006

15

マグネターからのＸ線放射の起源

Enoto et al., ApJL 2010, ApJS, 2017

Makishima, Enoto et al., PRL 2014, PASJ 2016 (トロイダル磁場の観測的兆候?)

内部に蓄えた磁気エネルギー解放が、表面からの熱放射 磁気圏からの非熱的放射、バースト放射になる

表面の熱放射

磁気圏(?)の

非熱的放射

バースト放射

(磁気リコネクション?)

ポロイダル磁場

トロイダル磁場

高次の磁場成分?

自転軸 磁軸

磁極

磁気圏

16

磁場強度が決めるマグネターＸ線放射

Energy (keV)

1 10 100

ke

V

2 (ph c

m

-2 s -1 ke

V -1 ) norm al iz ed a

t 2 ke

V

SGR 1806-20 (0.22 kyr)

1E 1547.0-5408 (1.4 kyr)

1RXS J170849.0-400910 (9.0 kyr)

4U 0142+61 (70 kyr)

SGR 1806-20 (2.1x1011 _T)

1E 1547-54 (2.2x1010 _T)

1RXS J1708-40 (4.7x1010 _T)

4U 0142+61 (1.3x1010 _T)

ν Fν (n o rma lize d a t 2 ke V)

Enoto et al., ApJL 2010, ApJS, 2017

強磁場

弱磁場

表面の熱放射 磁気圏

(?)の

非熱的放射

エネルギー (keV)

17

磁場強度が決めるマグネターＸ線放射

h = -

-h = _B t

Enoto et al., ApJL 2010, ApJS, 2017

表面磁場の強さ (G)

Ｘ線光度の比

(

磁気圏放射

/

表面放射

)

18

マグネターの進化と磁場減衰

自転周期 (s)

周期変化率

(s

/s

)

1 0.1

10-2 ₁₀

10-21

10-10

10-12

10-14 電波パルサー

マグネター

XDINS

連星中の電波パルサー ミリ秒パルサー

CCO 強磁場パルサー

強磁場

弱磁場 若い

老齢 磁場が減衰する場合の

中性子星の進化経路

dB

dt = −aB

1+α

(Colpi+99, α = 0 is plotted)

• 磁気エネルギー解放しな

がら P-Pdot 図上を移動

• Ｘ線スペクトルも磁場減

衰に伴って系統的に変化

• まれに突発的なＸ線増光

(アウトバースト)を出す

• マグネターの末裔と思わ

れる種族の天体も示唆

• マグネターと電波パルサー

19

Ｘ線偏光で探る超強磁場の世界

QED 臨界磁場

散乱断面積の抑制   原子の変形 光子の自然分裂 真空の複屈折

• 理研 (玉川、北口ほか) を中心に

国際連携で進むＸ線偏光の開拓

• おもに偏光計の装置開発やキャ

リブーレションから貢献

• NASA (GSFC, MSFC) との連携

で進む国際プロジェクト     

GEMS _→ PRAXyS _→ IXPE

IXPE = Imaging X-ray Polarimetry Explorer

φ σ

2 cos

∝ Ω

d d

20

国際宇宙ステーション搭載

NICER

の登場

• Neutron star Interior Composition ExploreR (NICER)

• 高時間分解能・大統計の軟Ｘ線(0.2-12 keV)観測を実現

• 中性子星を主要ターゲットに18ヶ月の科学プログラム

中性子星の内部は巨大な原子核

!?

中性子星の大気

水素, ヘリウム, 炭素 (H, He, C)

(とても薄い)

アウタークラスト

原子核(鉄ほか)＋電子

インナークラスト

中性子過剰核＋電子＋(超流動)中性子

原子核密度の2倍

1015 _g/cm3

原子核密度 2x1014 _g/cm3

neutrino drip 4x1011 _g/cm3

アウターコア

(超流動)中性子＋電子＋(超伝導)陽子

インナーコア

なんかやばい。ハイペロン？

内部の高密度状態方程式は、物理学の未解決問題

NICER の主目的は状態方程式の観測的解明

半径 10-12 km

Ｘ線パルス波形から質量と半径を決める

Courtesy: Gendreau & Arzoumanian

状態方程式は質量・半径と一対一に対応することが知られている

23

Ｘ線集光系

(X-Ray Concentrator optics; XRC)

Single reflection, grazing-incidence nested gold-coated Al foils

135 mm

111 mm

• Multiple 24 shells are confocally nested to

increase an effective area. (24x56=1344 foils)

• Grazing incidence optic of a parabolic gold

surface to focus X-rays onto a detector (2 mm).

• Focal length = 1085 mm

• Total effective area > 1800 cm2 @1.5 keV

NASA 検出器チームの一員として

24

2017

年

6

月

3

日

スケースＸ社による打ち上げ

SpaceX “CRS-11 Hosted Webcast” YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=JuZBOUMsYws

25

2017

年

6

月

3

日

スケースＸ社による打ち上げ

SpaceX “CRS-11 Hosted Webcast” YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=JuZBOUMsYws

NICER を搭載したファルコン９ロケット@ケネディ宇宙センター

マグネター初期観測

(NICER M&M

リード

)

4U 0142+61 Swift monitoring (C) Robert Archibald / McGill U.

0 0.5 1 1.5 2

0.9

1

1.1

Phase

Folded period: 8.68936000000000 s

0.4-12 keV

0.8-4 keV

Counts / s

0 1.0 Phase

NICER in Outburst

Suzaku in quiescent 19

20 21

(a)

Relative intensity

(Note) Epoch is not the same

2017年7月13日のバースト放射の直後に緊急観測し

27

NICER

の打ち上げ日に体験した新しい潮流

SpaceX “CRS-11 Hosted Webcast” YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=JuZBOUMsYws

さそり座

X-1 (

中性子星

)

の

定常重力波を狙う

BH₋BH, NS-NS 連星合体の重力波の直接検出➡X線観測での貢献は？

(van der Klis et al., 1997)

PSD of kHz twin QPO 10 ks RXTE/PCA

• X線の強度変動に QPO が知られ、その差分が自転周期?

• 周期は質量降着に応じて時間変動。重力波の探査が難しい。 • さそり座X-1は全天で最も明るく大型衛星で観測が困難。

• 小型衛星で QPO モニタ観測し、重力波探査に貢献できるか？

高速回転する中性子星 (質量降着で回転が早くなる)

角運動量を抜くのは円盤？重力波？ パワー

ス

ペクト

ル強度

周波数 (Hz)

大規模実験の時代に

少人数チームでサイエンスが出せるか？

雷雲と雷からの高エネルギーガンマ線放射

雷雲も、宇宙や深海と並ぶ人類未踏の研究対象

Ｘ線天文学の技術応用で、少人数チームで挑む

学術系クラウドファンディング

32

雷から光核反応を観測的に発見！

時間 (秒)

0 50 100 150

0 100 200 300

毎秒のカウント数

放射線量の変動 (0.35-0.60 MeV)

雷

放射線量の増大!

0.4 0.5 0.6 0.8 1

エネルギー (メガ電子ボルト)

2

ガンマ線スペクトル (10

3 Count MeV -1 ) 16 14 12 10 8 6 4 2 0

対消滅ガンマ線

雷は核反応で窒素・炭素の同位体を生成する

少人数でトップサイエンス (Enoto et al., Nature 2017)

高エネルギー大気物理学への挑戦

(C) NASA

プロキシマ・ケンタウリにハビタブルな惑星

!?

0 2 4 6 8 10

Phase [days] -4 -2 0 2 4 6 8 R V [m /s ] UVES HARPS pre-2016 HARPS PRD

Figure 2: All datasets folded to the 11.2 days signal. Radial velocity measurements phase

(Anglada-Escude et al., 2016, Nature)

Pale light from a red dwarf star

Proxima Centauri b : artist’s illustration by ESO, M. Kornmesser

4.2 光年のお隣さんの星 (dM5.5e) _{Porb=11.2 日}

野心的スターショット計画

• Ｘ線光度は太陽と同程度で、惑星への距離0.05AU。影響は？

• 中心星の可視光観測で周期性? 83 日(星の自転), 7年(太陽周期)

• 過去のＸ線観測は散発的: 可視光の変動と反相関との指摘?

MAXI-NICER

連携

OHMAN

計画

岩切、三原ら(理研)と協力し、MAXI-NICER 連携を推進！ 

すでにブラックホールや星のフレアで成果があがっており、

宇宙ステーション上での「国際連携」への米国の期待は大きい

On-orbit Hookup of MAXI and NICER (OHMAN) 計画 突発天体

アラート

全天Ｘ線観測装置 MAXI

浅く広く新天体を監視

NICER

36

まとめ

•

の醍醐味がある。物理の基本的な未解決問題へ挑める。

•

新しい窓を開拓し、スペクトル進化を統一的に研究した。

•

を出会えたことを大変幸せに思います。