Transcript GRBと超遠方宇宙

CTAで目指すガンマ線バースト
のサイエンス：（超）遠方宇宙
井上進 (京大理)
CTA PHYS work package: subtasks
GRB subtask in WP PHYS
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23人中9人(task leader3人中1人)が日本人
ガンマ線バースト (GRB) 宇宙最大・最強・最速の爆発
宇宙最遠方の天体
long GRB (T>~2s):
大質量星崩壊時に超相対論的速度ジェット発生
ジェット内部から即時放射＋外部衝撃波から多波長残光放射
adapted from Meszaros 01
中心駆動天体？ ジェット形成機構？ 粒子加速・放射機構？
異なる種族 (short GRB, T~<2s) の起源？ 宇宙論的進化？
宇宙で最も謎めいた天体の一つ
GRB vs Crab
Gehrels+ 09
GRB vs Crab
Fermi観測結果
prompt
- 明るいGRBで
即時GeV放射
- MeVの延長
上
少なくとも
10-30 GeVまで
- GeV超過成分
ある場合も
Gehrels+ 09
- long (数100s)、
short (数s)
双方で
GRB vs Crab
Fermi観測結果
- 数ksまで
GeV残光放射
∝ t-1.2-t-1.5
afterglow (2.5 hr)
Gehrels+ 09
- 大半のGRBで
GeV即時＋残
光
あると考えて
無矛盾
- しかし>GeVの
光子統計不充分
物理について
多くの点が謎
CTAによるGRB観測
1. 10 GeVに迫るエネルギー閾値 (<<現行IACT)
-> 宇宙背景放射光 (EBL) によるgg吸収を受けにくい
2. 高速指向性能：180deg/20sec for LST (MAGIC2と同等)
-> long GRBの即時放射中に観測開始
3. 莫大な有効面積：>104m2@30GeV (Fermiの1万倍)
-> 圧倒的な光子統計、詳細なスペクトル・時間変動の情報
Fermi LAT GRB 080916C
>100
MeV
> 10 GeV photon
Fermi数発 ->
>1GeV
CTA 数万発！
Abdo+ 09
CTAによるGRB観測で目指すサイエンス
GRBの起源
- 放射体運動速度の確実な測定（内部gg吸収カットオフ）
- 即時放射機構、残光の物理の解明
Fermiとの同時観測
（多波長スペクトル・時間変動）
宇宙線の起源
- 最高エネルギー宇宙線・高エネルギーn生成の兆候
（陽子・原子核シンクトロトロン、カスケード成分…）
TA/Auger/JEM-EUSO, IceCube/KM3NeTとのシナジー
観測的宇宙論
- 遠方宇宙背景放射の精査（gg吸収カットオフ） -> 後述
- 銀河間弱磁場の精査（pair echo/halo=二次ガンマ線）
基礎物理学
- Lorentz不変性破れ、新粒子への制限…
gamma-ray absorption:
probe of diffuse radiation fields
g + g → e+ + eE e
threshold condition: E e (1-cos q )>2 me2c4
s peak
,,
=4 me2c4
Costamante et al 03
e.g. TeV + 1eV (IR)
100 GeV + 10 eV (UV)
blazar
probe of local IRB from
gg absorption in TeV blazars
Extragalactic Background Light
IACT
gVHE
gEBL
e+
e-
from M. Teshima
EBL constraints from Fermi
Abdo+ arXiv:1005.0996
highest energy photons from each source vs EBL models (t=3)
higher EBL models ruled out for z<4.3
cosmic star formation rate vs models
Yoshi Inoue+ in prep.
highly uncertain at high-z, especially in the reionization era
CTA observations of GRB 080916C at z=4.35
extended emission @1ks, 10 min exposure Franceschini
censored due to authoritarian policies
CTA observations of GRB 080916C at z=4.35
Gilmore EBL
extended emission @1ks, 10 min exposure
クエーサーの寄与も
censored due to authoritarian policies
スペクトル時間変動から内部吸収カットオフと区別
gg optical depth: comparison
Yoshi Inoue+, in prep.
gg optical depth: comparison
Yoshi Inoue+, in prep.
large differences at 10-100 GeV -> distinguish by GRB obs.
cosmic dawn: valuable info on early star form. & cosmic reion.
synergy with LOFAR, SKA, ALMA, JWST, Subaru/TMT, IXO…
GRB detection rate estimates
GRB alert rate
(instrument, z-dep.)
×
zenith angle range
(E-dep.)
×
EBL attenuation
(E, z-dep.)
× duty cycle ×
slewing+detection
efficiency
Swift or SVOM alert
E>20 GeV: 300/yr x0.95(z<5) x0.1(<25deg) x0.1 ~ 3/yr
E>50 GeV: 300/yr x0.3-0.7(z<1.5-3) x0.3(<45deg) x0.1
~ 3-6/yr
z>5: 300/yr x(0.05-0.1) x <0.3 x0.1 ~< 0.5-1/yr
prompt (tobs>100s) : ~1/2 of above
detailed evaluations: Kakuwa et al., in prep.
まとめ
CTAによるGRBのサイエンス
- GRBは宇宙で最も謎めいた天体の一つ
- CTAによる>10 GeVガンマ線観測で新境地開拓
Fermiに比べ有効面積>104倍
（が視野は1/100）
- 予想検出数は年間当たりGRB数発
がGRB毎の詳細なスペクトル・時間変動データ
- 多様なサイエンス：
GRBの起源、宇宙線の起源、観測的宇宙論、基礎物理学
- 観測的宇宙論に重要な貢献：
gg吸収から遠方UV背景放射の精査
（宇宙星+BH形成史、宇宙再電離・初代星）
- 日本がサイエンスを主導：
LST（大口径望遠鏡）チーム、MCグループと連携