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NeXT を用いる 核ガンマ線天文学の提案

NeXT を用いる 核ガンマ線天文学の提案. 望月優子、玉川徹、 寺田幸巧 （理研）、岡田祐（東大理）、 「系内核 γ 分科会」グループ. NeXT Science についてのミーティング 東京大学、 11/7/03. アウトライン（２５分）. イントロダクション 　●核ガンマ線天文学 　●元素合成過程の概観（一部） R プロセス元素合成の天体現象を特定する試みの提案（検出できれば Nature 論文間違いなし！） 44 Ti （チタン 44 ）元素合成の重要性と 1987A, Cas A, 銀河系サーベイ観測の提案.

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NeXT を用いる 核ガンマ線天文学の提案

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  1. NeXTを用いる核ガンマ線天文学の提案 望月優子、玉川徹、寺田幸巧（理研）、岡田祐（東大理）、 「系内核γ分科会」グループ NeXT Scienceについてのミーティング 東京大学、11/7/03

  2. アウトライン（２５分） • イントロダクション 　●核ガンマ線天文学 　●元素合成過程の概観（一部） • Rプロセス元素合成の天体現象を特定する試みの提案（検出できればNature 論文間違いなし！） • 44Ti （チタン44）元素合成の重要性と1987A, Cas A, 銀河系サーベイ観測の提案 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  3. イントロダクション核γ線天文学の目的と利点イントロダクション核γ線天文学の目的と利点 • 不安定核から放射される核γ線をとらえることで、元素合成プロセスを研究。 • Ｘ線からわかる原子の情報とは違い、核種の情報が星間吸収などを受けないで、直接得られる。 • Ｘ線スペクトル解析：安定核 不安定核への拡張 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  4. 核図表 • 安定核 256 (1998の値) • 天然に存在する核種 287 • 不安定核（理論予測）~7000 • 既知核（実験）合成 2824（20世紀末）。うち、質量測定されたもの ~1800、半減期が測定されたもの ~2500 • 理研RIビームファクトリー(2004.7-) 新たに1000核種 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  5. 元素合成の道筋 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  6. 観測量：Radioactivity Ig NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  7. 核γ線放出にかかわる物理 • 励起状態の原子核の、de-excitationによる核γ線 • 励起状態の原子核が、電子内部転換（核γ線放出の競合過程）することによりあいたK殻電子孔へ他の電子がおちるとき放出するＸ線 (Rプロセスにかかわるような重い核では、数十-百keV） • 陽子過剰な不安定核のうち、軌道電子捕獲(Q値<511keV*2=1.02MeV)により崩壊するもので、あいたK殻電子孔へ他の電子がおちるとき放出するＸ線（超新星で合成されるものが多い；56Ni, 44Ti, 55Fe, 59Ni, 53Mn ...) NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  8. 44Ti Decay Pure Electron-Capture-Decay! Pure Electron-Capture-Decay! (First-forbidden 0+→0- EC) (First-forbidden 0+->0- EC) 4+ 4+ 0+ 0+ 78 keV 78 keV 68 keV 68 keV NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  9. II. R-プロセス原子核に固有な核γ線をとらえて、 R-プロセス元素合成の天体現象を特定したい。 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  10. Anders & Grevesse 1989 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  11. 人類が生きていくために必須な元素（Rプロセス元素）がどこでどのように生まれたか、わかっていない。人類が生きていくために必須な元素（Rプロセス元素）がどこでどのように生まれたか、わかっていない。 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  12. Rプロセスが起きた天体現象がわかっていない。Rプロセスが起きた天体現象がわかっていない。 Core-collapse SN Core-collapse SN Core-collapse SN ok? AIC of WD NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  13. ダイナミカルα+Rプロセス計算の一例(1) KUTY mass & GT2+KUTY b-rates(1) Motizuki, Tachibana, & Goriely 2003, preliminary 4622 nuclides (Z=0-92) 17 reactions included. NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  14. ダイナミカルα+Rプロセス計算の一例(2) ベータ崩壊過程で放出される 核γ線がとらえられれば！ NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  15. Rプロセス核γ検出可能性 from RX0852-4622参考文献：Qian, Vogel, & Wasserburg, ApJ 524 (1999), 213. NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03 **SN GC

  16. 使われている仮定など • RX0852までの距離、d=200pcを仮定。 • SN rate: ３０年に一回のuniform production • 見積りされているRプロセス核の合成量は • 2 X 10-8 solar mass (126Sn: 5 X10-7 solar mass) を仮定。 　→ 原子核モデル、SN rateの不定性、爆発エネルギーの不定性から、数factorの増減は有意にあり得る。 • 新しいSNが銀河系中心で起きた場合。 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  17. III. 44Ti の崩壊過程に伴う核γ線をとらえて、 重力崩壊型超新星爆発モデルへの制限をつけたい。 参考文献：Motizuki & Kumagai, New Astronomy Reviews, in press (2003); astro-ph/0311080 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  18. 44Ti: 天文学的に極めて重要なアイソトープ • 44Ti合成量は、Mass Cutの場所、爆発直前の星の構造（~2Mより内側）、衝撃波背後の最高温度・密度に依存する。 • Mass cut: エジェクタとコンパクトオブジェクトとの境界 • 核崩壊に伴う核ガンマ線が、銀河 　系内の重力崩壊型超新星から観測 　できる。 • 44Tiの初期合成量がわかれば、 　重力崩壊型超新星爆発の元素合成 　ダイナミクスに制限をられる。 • 半減期~60年→サーベイにより 　銀河系のSN rateについての情報が 　得られる。 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03 Hoffman et al. 1995

  19. αプロセス aan -> 9Be(an)12C(n,g)13C(an) 16O(a g)20Ne (a g)・・・ -> 40Ca (a g)44Ti ・・・ -> 56Ni Blast-shock 熊谷、野本； 天文月報、1991 Kumagai et al. 1991 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03 6.6d t1/2: 77d

  20. 44Ti 核ガンマ線検出と半減期測定競争 44Ti from Cassiopeia A; Eg=1.156MeV 1994 by COMPTELon Compton Gamma-Ray Obs. (7+-1.7) 10-5 photons/cm2/s (Iyudin et al. 1994) 核γ線検出が他分野（原子核実験）に影響を及ぼした顕著な例： Cf. until 1997: 40y < t1/2 < 65y NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  21. 1987A:Flux Prediction for day 6000(2003) NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  22. Cas A: Coincidence between theory and observation? NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  23. まとめ • Rプロセス核に特有な核γ線をとらえる試みは、NeXTで挑戦する価値がある。（と思う） • 44Ti(SN1987A, Cas A, surveys) については、NeXT, (Astro-E2)で必ず面白いサイエンスができる。ぜひトライさせて頂きたい。 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  24. Discrepancy between theory and observation: Crisis of SN explosion models?? NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  25. 100% 94% 88% lab eff l /l Decay rate of highly ionized 44Ti -Shells L 1 K 1 Atomic Electron Binding Energies 44% K electrons (1S ) ..... 6.6 keV 1/2 L electrons (2S ) ..... 1.6 keV I 22Ti 1/2 44 Ti 4 L electrons (2P ) ..... 1.6 keV 22 II 1/2 3 L electrons (2P ) ..... 1.6 keV III 3/2 *Theoretically calculated for non-relativistic electrons & point-charge nucleus (simple estimate) EB=(aZ)2/(2n2) 511 keV 2 K, LI 軌道からの電子捕獲を考えれば十分 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  26. Always Negative Cas A 87a 44Ti Ti21+ Ti20+ 44Ti Ti21+ Ti20+ A/A -0.46 -0.1 ~50%10% Reduction! A/A +1.5 +0.32 factor 2.530% Enhance! Activity Change by Ionization: Linear Analysis NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

  27. (0.82-2.3)-4 for t1/2=60+-3y(3s) & d=48.8 +- 3.3 kpc(3s) Bolometric light curve for SN 1987A “upper limit case” ESO Collision to the inner ring CTIO 44Ti ( ) Suntzeff ‘97 ‘02 NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03 Motizuki, Kumagai, &Nomoto 2003 in prep.

  28. SN1987A; Titanic Collision on the Inner Ring in 2000 • H-like, He-like ions of O, Ne, Mg, Si observed. • Te ~ 3 keV, Ionization timescale: nt ~ 6  1010 [cm-3 s] (Michael et al. 2002) NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

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