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フェルミ・ガンマ線衛星で見た宇宙

フェルミ・ガンマ線衛星で見た宇宙. June. 25, 2011 @ 京都産業大学 Tsunefumi Mizuno (Hiroshima Univ.) on behalf of the Fermi-LAT Collaboration. Contents. フェルミ衛星の３年間の成果について紹介. 2008 年 6 月打ち上げ. 3c454.3. Fermi-LAT 1 year all-sky gamma-ray map. フロリダ州 ケープカナベラル基地. Gamma-ray Sky (pre-Fermi).

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フェルミ・ガンマ線衛星で見た宇宙

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Presentation Transcript

  1. フェルミ・ガンマ線衛星で見た宇宙 June. 25, 2011 @ 京都産業大学 Tsunefumi Mizuno (Hiroshima Univ.) on behalf of the Fermi-LAT Collaboration

  2. Contents • フェルミ衛星の３年間の成果について紹介 2008年6月打ち上げ 3c454.3 Fermi-LAT 1 year all-sky gamma-ray map フロリダ州 ケープカナベラル基地

  3. Gamma-ray Sky (pre-Fermi) • EGRET (1991-2000)によるガンマ線マップ • 明るいガンマ線天体と銀河面放射がもやもやと見える Galactic Center Geminga Vela Crab 3c454.3 271 sources (Hartmann+99)

  4. Gamma-ray Sky(Fermi Era) • フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ • 多数のガンマ線源がはっきり見える Galactic Center Geminga Vela Crab 3c454.3 >1400 sources (Abdo+10, ApJS 188, 405)

  5. Gamma-ray Sky • フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ • 多数の新しいガンマ線源がはっきり見える Fermi以前は, PulsarまたはBlazar以外はほとんど(または全く)知られていなかった種族 Geminga PSR (radio/X) Vela Blazar Crab 3c454.3 >1400 sources (Abdo+10, ApJS 188, 405)

  6. Gamma-ray Sky • フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ • 多数の新しいガンマ線源がはっきり見える Fermi以前は, PulsarまたはBlazar以外はほとんど(または全く)知られていなかった種族: 今日の主役 Geminga Vela Radio-quiet PSR SNR Globular Cluster etc. Crab Non-Blazar AGN Normal Galaxy etc. 3c454.3 >1400 sources (Abdo+10, ApJS 188, 405)

  7. Fermi-LAT Instruments

  8. GLAST Launch • Launched on June 11, 2008 • Science Operation on Aug 4, 2008 • Orbit: 565 km, 26.5o (low BG) GLASTはFermi衛星の旧称 5-yr mission (10-yr goal) Cape Canaveral Air Station @ Florida

  9. GLAST => Fermi • 宇宙物理の分野でも名高いフェルミ教授の名を称えて名付けられた. • Enrico Fermi (1901-1954) • フェルミ統計(1926) • 放射性元素の研究 (1938 Novel Prize) • 宇宙線のフェルミ加速(1949) Fermi衛星=LAT+GBM

  10. Fermi-LAT Collaboration France Italy Japan Sweden US • Hiroshima Univ. • Tokyo Tech • ISAS/JAXA • Waseda Univ. • Tokyo Univ. • Nagoya Univ. • Aoyama Gakuin Univ. • Kyoto Univ. ~400 members (日本グループ~20名)

  11. Large Area Telescope • Pair-conversion type g-ray telescope 20 MeV- 300 GeV • Tracker: Si-strip detectors • direction measurement ~200 um pitch => high precision tracking • ACD: plastic scintillators • BG rejection segmented tiles => prevent self-veto • Calorimeter: CsI scintillators • Energy measurement hodoscopic crystals => shower profile

  12. Large Area Telescope • Pair-conversion type g-ray telescope • Tracker: Si-strip detectors • direction measurement • Key-element of LAT, developed by HPK and Hiroshima Univ. • Low-noise (~2.5nA/cm2) • High-quality (dead strip: <0.01%) • ~106 channels in total SSD

  13. Science Breakthroughs of 2009 • Fermi is recognized as one of the top science breakthroughs Science, December 2009 Discovery of 16 new pulsars

  14. 2011 Rossi Prize • ロッシ賞: Bruno Rossi (Giacconiと並ぶX線天文学の開祖)の功績を讃えて作られた賞 2011年 Fermi-LATチーム 2001年 A. Fabian & 田中靖郎 1989年 Kamioka & IMB

  15. フェルミ・ガンマ線衛星で見た宇宙 • 超新星残骸と宇宙線 • 新星からのガンマ線放射の発見 • ガンマ線バースト: 宇宙ジェット

  16. Gamma-ray Sky (再掲) • フェルミ衛星による1年間全天ガンマ線マップ • 多数のガンマ線源がはっきり見える • 誰が, どうやってガンマ線をだすのか Galactic Center Geminga Vela Crab 3c454.3 >1400 sources (Abdo+10, ApJS 188, 405)

  17. Gamma-ray Sources • 様々な天然の加速器がガンマ線を放射する Geminga Vela Crab 立命館大学 森研究室のHPより 3c454.3

  18. Emission Mechanism • 4つの非熱的プロセスでガンマ線を放射 • 宇宙線や, 星間ガス・光子・磁場を調べることが可能 シンクロトロン放射 制動放射 (星間磁場) (星間ガス) 逆コンプトン 散乱 核子-核子反応 (星間光子) 宇宙線は星間磁場で曲げられるが, ガンマ線は直進

  19. ガンマ線天体1: 超新星残骸 • 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲 SN1006 by Chandra

  20. ガンマ線天体1: 超新星残骸 • 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲 • 宇宙線加速源の有力候補 • エネルギー収支 • WCR~1040 erg/s • WSN~1051 erg/30y~1042 erg/sの1%で賄える • 加速理論 • 超新星の爆風が作る衝撃波で加速 しうる (Fermi加速) ~1000 km/s H. Katagiri 陽子を加速しているか? 宇宙線の総エネルギーを説明できるか? 最高加速エネルギーは？(Eknee)

  21. ガンマ線天体1: 超新星残骸 • 超新星残骸(SNR): 超新星爆発でできる殻状の星雲 • 宇宙線加速源の有力候補 • エネルギー収支 • WCR~1040 erg/s • WSN~1051 erg/30y~1042 erg/sの1%で賄える • 加速理論 • 超新星の爆風が作る衝撃波で加速 しうる (Fermi加速) ~1000 km/s H. Katagiri 陽子を加速しているか? 宇宙線の総エネルギーを説明できるか? 最高加速エネルギーは？(Eknee)

  22. GeV-emitting SNRs • 10以上のSNRをGeVで検出 • ２つのカテゴリ • 若いSNR (CasAなど) • 分子雲と相互作用する中年齢SNR (W44など) (2010 Feb. NASAプレスリリース)

  23. Young SNR: Cassiopeia A • 銀河系内で２番目に新しいSNR (t=340 yr) • 明るい電波源(宇宙線電子), TeV放射有り Fermi LAT GeVで点源状だが, パルサーとずれた位置 有為なパルスなし GeVγ線はSNRから PSR Abdo+09, ApJ 710, L92 CA: Funk, Uchiyama

  24. Spectrum of Cassiopeia A • ハドロン起源かレプトン起源かは常に議論の的 • シンクロトロン電波から, 電子密度に上限がつく 100MeV 10GeV 1TeV

  25. Spectrum of Cassiopeia A • ハドロン起源かレプトン起源かは常に議論の的 100MeV 10GeV 1TeV • Brems+IC • B=0.12 mG, We=1x1049 erg • (X線はB~0.5 mGを示唆) • p0-decay • B>0.12 mG, Wp=3x1049 erg • (適当な陽子スペクトルで説明可) • 陽子起源の方が観測によく合う • WCR=(1-4)x1049 erg, a few % of ESN

  26. The Energy Spectra S. Func @HEAD meeting • 陽子起源をfavorする物もある • エネルギー総量の議論が可能に • 年齢による違い: 宇宙線の加速と放出 Young Mid-aged CasA LAT range 0.1 1 10 100 GeV

  27. ガンマ線天体2：新星爆発 • 新星: 白色矮星と通常の星の連星. 白色矮星にガスが降り積もり爆発的核融合を起こす=新星爆発 V407 Cygni • 銀河系では頻繁にみられる: • 30-60/yr • Enova~1044 erg • (太陽の1000年分) • 新星がγ線を出すとは考えられていなかった 赤色巨星 (SN: ~1/30yr) (ESN ~1051 erg) White Dwarf

  28. Nova V407 Cygni in Visible Light • 日本人アマチュアが発見, 花山天文台で確認・通報 西山浩一, 椛島冨士夫, 前原裕之(花山天文台) ~7 mag ~9.5 mag

  29. Nova V407 Cygni in g-Rays • ほぼ同時にγ線が増光していたことを確認 • 新星からのγ線を始めて検出 2010 Aug. NASA プレスリリース Abdo+10, Science 329, 817

  30. Nova V407 Cygni Light Curves • ほぼ同時にγ線が増光していたことを確認 • 新星からのγ線を始めて検出 ガンマ線 可視光 X線

  31. V407 Cygni Binary System • 赤色巨星から~10 km/sの星風 • 新星爆発で物質放出: ~3000 km/s

  32. V407 Cygni Binary System • 赤色巨星から~10 km/sの星風 • 新星爆発で物質放出: ~3000 km/s • 赤色巨星近くの衝撃波で粒子加速が期待される

  33. Spectrum and Energetics • SNRと同様の粒子加速は, より小規模の新星でも起きうる • ~2 GeVで折れ曲がり. 陽子のp0崩壊で説明できる (lepton起源も可能) • Eg=4x1041 erg => • Ep~1043 erg • Enova~1044 ergの10%が粒子加速に費やされた

  34. その他の新γ線天体 CTA1中の新しいパルサー Abdo+08, Science 322, 1221 CenA lobe: 銀河より巨大な領域で粒子加速 Abdo+10, Science 328, 725 銀河とジェット ガンマ線 NGC1275: 新種のガンマ線銀河 Abo+09, ApJ 699, 31

  35. ガンマ線天体3: ガンマ線バースト • ガンマ線で突如輝く現象. 核実験監視衛星Velaが1967年発見. • 宇宙論的距離にあり, 光度1051 erg/s(~全銀河の光度)に達する宇宙最大の爆発現象. • 継続時間で２つに分類. 大質量星の重力崩壊(極超新星)または中性子星連星の合体とされる. 2 s T90 (duration) in seconds Time (s)

  36. Gamma-Ray Bursts Overview (Meszaros 2001, Science 291, 79) • 中心天体から超相対論的ジェットが放出. 視線方向と一致するとGRBとなる • ジェット内シェル同士の衝突(内部衝撃波)でガンマ線 • 星間物質との衝突(外部衝撃波)で可視/X線残光 G>=100 外部衝撃波 内部衝撃波 ガンマ線バースト 可視・赤外・ X線残光 観測からLorentz因子>=100 “宇宙最強のジェット”

  37. Fermi for GRB LAT ガンマ線バースト モニタ GBM (NaI & BGO) GeVガンマ線 イメージング 8keV-40MeV 20MeV-100GeV • FermiはGBMとLATで10 keVから100 GeVをカバーできる • ジェットはどこまで加速 されているか ? • 未知の放射成分はあるか? 内部衝撃波 (シンクロトロン放射)

  38. Fermi View of GRB • 全天をモニタするGBM + GeV放射を検出するLAT • 打ち上げ後２年で • 514 GBM GRBs (約半数がLATの視野内) • 18 LAT GRBs ~0.7/日 ~0.7/月 4つのモンスターGRB (>=100 above 100 MeV)

  39. GRB090510: Bright Short GRB GRB 090510 (short) Abdo et al. 2009, Nature 462, 331 • 初めての「明るい」Short GRB. ~10 msのスパイク • z=0.9 (73億光年) • 最高で31 GeV • 高いエネルギー放射の遅れや長寿命GeV放射が見られる 8-260keV GBM 0.26-5MeV LAT all events LAT >100 MeV >1GeV 0 1 2s Abdo+09, Nature 462, 331 (CA: Granot, Guiriec, Ohno, Pelassa)

  40. Limits on Lorentz Factor • 早い変動(小さな領域)&高い光子数=>電子陽電子対生成を起こし, 高エネルギー光子は外に出れないはず • ジェットがLorentz因子Gで観測者に向いていれば, • サイズRはG2倍 (相対論的Beaming) • エネルギーは1/G倍 => 対生成に寄与する光子数減少 なのでtは~1/G6程度で済む. ここからGmin~1000となる. • これだけ強力なジェットは例がない (活動銀河核で~10). Abdo+09 ApJ 716, 1178 厚さ attenuation length

  41. Limits on Lorentz Invariance Violation • 一部の量子重力理論はLorentz不変の破れ( )を予言. • 遠方の, 同時に起きた, 高エネルギー光子イベント(GRB)で検証できる. 2009 Oct. プレスリリース資料より

  42. Limits on LIV GRBの開始 31GeV光子到来 • 31GeVの光子は最大でも0.86秒の遅れ MQG,1>1.2 Mplank 初めて, プランク質量を超える制限をつけた(n=1). E<=5MeV E>=10MeV

  43. Summary • フェルミ・ガンマ線衛星の成果をいくつか紹介 • 超新星残骸: 宇宙線の源 • 新星ほか, 新種のガンマ線源の発見 • ガンマ線バースト: 強力なジェット, 光速不変の検証 • 他にも様々なトピック. 日本グループが活躍. • 原著論文(>100) • 天文月報「フェルミ特集」 2010年5~8月号 • 物理学会誌 2010年第3号 Thank you for your Attention

  44. Backup Slides

  45. CR Energy Spectrum Eankle Eknee

  46. Shock Acceleration • 超新星の爆風が星間物質中に衝撃波を作る • 荷電粒子の一部は周りの　電磁流体乱流で繰り返し　　散乱され、衝撃波面を通過する度にエネルギーを得る 　 (Fermiの統計加速) • E-2を予言し、宇宙線加速として都合がよい 衝撃波面の静止系 (超新星が右側) V1/V2 ~4

  47. SNR w/ cloud interaction: W44 • 中年齢(2x104 yr)のSNR • Fermiで分解可能な大きさ • 密度の濃い分子雲と相互作用しており, γ線放射が期待

  48. LAT viewof W44 Abdo+10, Science 327, 1103 CA: Tanaka, Uchiyama, Tajima x印はパルサーの位置 緑のコントアは衝撃波に励起された分子雲 • 高密度の分子雲からγ線が放射

  49. LAT Spectrum & modeling • スペクトルは陽子起源が良く合う 100 MeV 10 GeV 1 TeV

  50. LAT Spectrum & modeling • スペクトルは陽子起源が良く合う • γ線で~1 GeV, 親の陽子で~10 GeVで折れ曲がり 100 MeV 10 GeV 1 TeV (予想されていなかった結果)

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