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MAXI–すざく連携で明らかにな
るＸ線連星パルサーの磁場強度
山本堂之 (日本大/理研)
2013 年3 月13 日
理研シンポジウム「コンパクト星連星の多様性と進化」@理研大河内ホール
Ｘ線連星パルサー
○連星をなす中性子星のうち、Ｘ線のパルスを発するもの
○磁場が強いため降着物質が
直接落下できない
磁極からＸ線を放射
降着
○降着円盤を形成し、
磁力線に沿って磁極に降着
磁力線
○磁極がＸ線で輝く
→磁極の見え隠れがパルス
磁極から放射されるＸ線のスペクトルから
中性子星の表面磁場強度を測定できる
電子サイクロトロン共鳴散乱を用いた
中性子星表面磁場の測定
励起準位
基底準位
降着円筒
放射エネルギー密度
○強磁場中では電子の運動エネルギーは
量子化され、ランダウ準位をとる
Santangelo+1999
基本波
第2, 3, 4 共鳴
10
中性子星表面
20
50 100
エネルギー (keV)
サイクロトロン共鳴エネルギー
Ea = 11.6 (B/1012 G) [keV]
400
8
幅広く分布
6
4
200
狭い範囲に集中
2
連星パルサー (個)
孤立系パルサー (個)
Ｘ線連星パルサーの磁場強度分布
○ぎんが衛星(6)、
BeppoSAX(2)、RXTE(3) な
ど、
Mihara+1998, Coburn+2002,他
2008 年までに14
天体で測
定
Mihara1995, Makishima+1999
○ B = (1–4)×1012 G に集中
8
10 12 14 16
磁場強度 [log B (G)]
マグネター(AXP,
SGR; ~10 天体)
○多くは定常的に明るい天体
○ 磁場強度 B 〜 1013 G のＸ線連星パルサーは存在する？
→ Ea > 50 keV (B > 4×1012 G) のサイクロトロン共
鳴構造
(CRSF) の検出が難しい事による選択効果？
(CRSF; Cyclotron Resonance Scattering Feauture)
Be型Ｘ線連星パルサーを狙う！
○観測の対象になりにくい天
体に強磁場が存在？
→突発的に増光する天体を狙う
○Ea > 50 keV のCRSF 検出
→すざく衛星HXDで解決
http://ipl.uv.es/bexrb2011/
星周円盤
連星周期：
長
離心率：大
B型星
Ｘ線
アウトバースト
中性子星
MAXI とすざくで狙う！
全天Ｘ線監視装置MAXI
日本実験棟「きぼう」
船外プラットフォーム
進行方向
○国際宇宙ステーション
日本実験棟「きぼう」
船外プラットフォーム搭載
○「広く浅く」観測する全天
モニタ型の観測装置
すざく衛星
○「狭く深く」観測する望遠鏡型衛星
○広帯域Ｘ線スペクトル(0.2-600 keV)
高エネルギーX線に高い感度(HXD)
Be型Ｘ線連星パルサーを狙う！
○観測の対象になりにくい天
体に強磁場が存在？
→突発的に増光する天体を狙う
○Ea > 50 keV のCRSF 検出
→すざく衛星HXDで解決
http://ipl.uv.es/bexrb2011/
星周円盤
連星周期：
長
離心率：大
B型星
Ｘ線
アウトバースト
中性子星
○Be型Ｘ線連星パルサーのアウトバーストを
「MAXI で監視」増光したら「すざくで射止める」
MAXI–すざく 連携観測 since 2010(Suzaku AO-5)
→Be型Ｘ線連星パルサー GX 304–1, GRO J1008–57
2 天体でCRSF を発見、磁場強度を決定
Be型Ｘ線連星パルサー GX 304–1
連星 : V* V850 Cen (B2Vne)
自転周期Pspin : 275 秒 Yamamoto+2011
連星周期Porb : 132.190±0.014 日 Yamamoto2013
離心率e : 0.453±0.02 Yamamoto2013
GX 304–1
○観測の歴史
・1967 年気球実験にて発見(McClintock+1971)
・1970 年代は明るかったが、1980 年の検出を最後に
長く
静穏期(Ｘ線が検出されない)に突入(Pietsch+1983)
→近年詳しい観測がなされていない
・2008 年頃から活動再開のきざし(Manousakis+2008)
○MAXI では2009 年11 月 の初検出を皮切りに、
連星周期に対応したＸ線アウトバーストを連続して観測
GX 304–1 MAXI–すざく ToO 観測
132.19 日
@ 400 mCrab
1
2
3
4
Ｘ線強度 [Crab]
Ｘ線強度
[cnts/cm-2/s-1]
○MAXI では3.5 年で9 回のアウトバーストを観測
5
6
7
8
9
3
7/28
9/6
○MAXI–すざく ToO 観測
・MAXI が検出した3 回目のアウトバースト(観測史上最大光度)
・すざく観測 : 2010/8/13@20 ksec
GX 304–1 からの
サイクロトロン共鳴構造発見
モデルからの残差
観測スペクトル強度
Yamamoto+2011
○連続成分モデル :
NPEX (Negative and Positive
power-law times EXponential)
Mihara1995, Makishima+1999
CRSF
！
？
Negative
連続成分
深さD
Positive
幅W
共鳴エネルギーEa
○吸収構造のモデル :
CYAB(CYclotron ABsorption)
Mihara1995, Makishima+1999
D
Ea 〜 54 keVにCRSF を発見！
磁場強度 B = 4.7 ×1012 G
発見当時は最強磁場
Be型Ｘ線連星パルサーGRO J1008–
57
スペクトル型 : B0e
自転周期Pspin : 93.5 秒 Stollberg+1993
連星周期Porb : 249.46±0.1 日 Kuehnel+2012
Coe+2007
離心率e : 0.68±0.02
GRO J1008–
57
○観測の歴史
・1993 年にCGRO/BATSE が発見(Stollberg+1993)
・発見以降 BATSE, RXTE/ASM, Swift/BAT, MAXI 4種類
の
ASMで21 回のアウトバーストを検出
(うち3 回はGiant Outburst)
○サイクロトロン共鳴構造の探査
Shrader+1999
・OSSE とBATSE が88 keV にCRSF 共鳴構造を検出？
→粗いデータのため確定とは言えず。
GRO J1008–57 MAXI–すざく ToO 観測
○MAXI では3.5 年で5 回のアウトバーストを観測、
5 回目は不思議な挙動の後、Giant Outburst に発展
0.6
0.6
Suzaku Obs.
@ 430 mCrab
Flux [Crab]
0.4
0.2
0.3
0
56240
56250
56260
56270
55600
55800
56280
0.0
55000
55200
2009 Aug. 15
55400
MJD
56000
56200
56400
2013 Feb. 14
○MAXI–すざく ToO 観測
・Giant Outburst のほぼピークで観測に成功
・すざく観測 : 2012/11/20@60 ksec
モデルからの残差
観測スペクトル強度
GRO J1008–57 からの
サイクロトロン共鳴構造発見
HXD-PIN
HXD-GSO
CRSF
○GX 304–1 と同様に
NPEX モデルで連続成分
を
フィッティング
→ ~ 80 keV に残差
○CRSF 構造モデルを追加し
NPEX×CYAB モデルで
再フィッティング
Ea 〜 76 keVにCRSF を発見！
磁場強度 B = 6.6 ×1012 G
Ｘ線パルサーの最強磁場！
GX 304–1
GRO J1008–57
8
10 12
14 16
磁場強度 [log B (G)]
連星パルサー (個)
孤立系パルサー (個)
Ｘ線連星パルサーの磁場強度分布
改訂版
○すざくはGX 304–1, GRO
J1008–57、強磁場の2 天体
○2008 年以降のCRSF 発見
→5 天体
(Suzaku(2), RXTE(2), INTEGRAL(1))
Doroshenko+2010, DeCesar +2013 Tsygankov+2012
○CRSF の発見はいずれも
BeXB のアウトバースト時
の観測
MAXI–すざく連携観測で磁場強度分布を破る天体を発見
→Ｘ線連星パルサーの狭い分布は選択効果である
Ｘ線連星パルサーの
磁場強度と離心率の相関
中性子星表面磁場強度 [×1012 G]
※離心率が既知のもののみplot
黒 : BeXB
赤:
HMXB
緑 : LMXB
GRO J1008–57
GX 304–
1
正の相関？
○Be型Ｘ線連星パルサー
→長連星周期、離心率大
○離心率大だと磁場強度も大？
離心率
まとめ
○MAXI で監視しすざくで射止めるMAXI–すざく連携観測か
らGX 304–1(4.7×1012 G)とGRO J1008–57(6.6×1012 G)の
磁場強度を決定 → 従来の磁場強度分布を破る
Ｘ線連星パルサー磁場強度の世界記録を更新
○ 磁場強度B > 4×1012 G のＸ線連星パルサーは存在し、
B=(1-4)×1012G という分布は選択効果であると考えられる
○連星系の離心率と磁場強度には正の相関がある可能性
サイクロトロン共鳴散乱を用いた
中性子星表面磁場の測定
サイクロトロン振動数の式
ω c=
B・e
me
ωc: 振動数
B: 磁場
e: 電荷
me: 電子質量
強磁場中では電子の運動エネルギー
はランダウ準位(とびとびの値)をとる
サイクロトロン共鳴エネルギー
B
Ea= hωc= 11.6
[keV]
12
10 [G]
(
)
吸
収
放
出
E2
X線
E1
X線
E0
電子の運動エネルギー準位
Ea: 共鳴エネルギー
18
1. 研究背景, 2.観測, 3.解析・結果, 4.議論, 5.まと
め
3/37
中性子星パルサー磁場強度測定
-8
-10
-12
1014 G
○連星系パルサー
マグネター
Santangelo+1999
放射エネルギー密度
自転周期変化率P (log, s/s)
○孤立系パルサー
1012 G
-14
-16
1010 G
-18
-20
-3
108 G
電波パルサー
-2 -1
0 1 2
Manchester+2005
自転周期Pspin (log s)
自転周期Pspin とその変化率P
B = 3.2×1019 (Pspin[s] P[s])1/2 [G]
基本波準位間と同じ
エネルギーを散乱
第2, 3, 4 共鳴
10 20
50 100
エネルギー (keV)
電子サイクロトロン共鳴構造
Ea = 11.6 (B/1012 G) [keV]