Transcript E (p-1)/2

シンクロトロン放射・
逆コンプトン散乱・
パイオン崩壊
～HESS J16161-508は陽子加速源か？
CRコロキウム
2006年1月25日
内山 秀樹
動機



すざく AO-1で未同定ガンマ線源
HESS J１６１４-518を提案したのは良いが･･･
HESSのTeVガンマ線が陽子起源or電子起源であ
ることに対してX線の観測で何が言えるかをはっき
りさせたい。
シンクロトロン放射、逆コンプトン散乱、パイオン崩
壊を復習・勉強。
目次







宇宙線加速と超新星残骸
シンクロトロン放射
逆コンプトン散乱
パイオン崩壊
HESS J1616-508は陽子加速源か？
HESS J1614-518ですざくは何を見たいのか？
まとめ
宇宙線加速
宇宙からは高エネルギー(1012～１０20eV)の宇
宙線が等方的にやってくる。
 主成分は陽子。陽子の1%程度が原子核。
電子も１％程度含まれる。
 加速現場はいったい
knee
どこか？
→超新星残骸
ankle
（衝撃波加速）

宇宙線粒子の積分エネルギー分布
超新星残骸 X線

シンクロトロン放射
100TeV以上の電子加速の直接的証拠
電子が加速→同様に陽子も加速されているであろう
→陽子加速の間接的証拠
超新星残骸 TeVガンマ線
TeVガンマ線が見える
→TeV以上のエネルギーの粒子の存在の直接証拠
 逆コンプトン散乱：電子起源
 パイオン崩壊：陽子起源→陽子加速の直接証拠

シンクロトロン放射



高エネルギー粒子が磁場で曲げられて放射を起こす過程
エネルギーEe電子の放出光子の典型的エネルギーEp
Ep~4keV×(B/10μG)×（Ee/100TeV)２
速度βの粒子のpower (erg/s)
32   e


2
9  mc
2
Psyn
2

 c  2  2U B


UB 
B
2
8
：磁場のエネルギー
密度（erg/cm3)
→同じβの時、電子のシンクロトロン放射に比べて陽子の
放射は非常に弱い（~3×10-7）
→強度はUBβ2γ2に比例
シンクロトロン放射

n(E)∝E-pの粒子分布の時→冪(p-1)/2のパワーロー
RX J1713
自己吸収が効く
E5/2
E(p-1)/2
Synchrotron
Log(E/1MeV)
逆コンプトン散乱


高エネルギー粒子に光子（CMB)が叩かれてTeVガンマ線にな
る過程。
エネルギーEe電子の放出光子の典型的エネルギーEp
ETeV ~10TeV×(hν0/2×10-4eV)×（Ee/100TeV)２
hν0：ターゲット光子（CMB)のエネルギー kB・(2.7K)~ 2×10-4eV

速度βの粒子のpower (erg/s)
32   e


2

9  mc
2
PIC
2

 c  2  2U


→強度はUphβ2γ2に比例
ph
Uph=a(2.7K)4
=4×10-13 erg / cm3
：CMBのエネルギー密度
逆コンプトン散乱

スペクトル:n(E)∝E-pの粒子分布の時
→冪(p-1)/2のパワーロー：シンクロトロンと同じ
RX J1713
Synchrotron
E(p-1)/2
E(p-1)/2
IC
Log(E/1MeV)
パイオン崩壊



高エネルギー陽子がガスとぶつかってパイオンを作り、そのパ
イオンが崩壊してガンマ線が放出
ｐｐ → π0 → ２γ
放出光子の典型的エネルギー： 1GeV～
σｐｐ(Ep) ~30[0.95+0.06ln(Ekin/1GeV)] mb (Ekin>1GeV)
~ 0 mb
(Ekin < 0.3 GeV)
強度（積分フラックスJγ）
Jγ(>0.3GeV) ~ 3 ×10-8 ×A cnts/s/cm2
A=（WCR/1050erg)(d/1kpc)-2(n/1cm-3)
WCR:全陽子の持つ全エネルギー d:ソースからの距離 n:ガスの密度
→陽子のエネルギーと周りのガスの密度だけで強度が決まる。
パイオン崩壊：スペクトル
Γｐ=2.0
Γｐ=2.5
Γｐ=2.75
Log(E/1GeV)
X線とTeVガンマ線の関係

シンクロトロン放射と逆コンプトン散乱
どちらも電子起源
Psyn / PIC = UB / Uph
（速度βの電子1個当たり）
→逆コンプトン散乱の強度∝シンクロトロン放射の強度
磁場＞星間磁場～３μG
（X線強度の上限値を決めること）
＝（逆コンプトン散乱TeVガンマ線の上限値を決めること）

パイオン崩壊
パイオン崩壊によるTeVガンマ線強度は陽子のエネルギー
と周りのガスの密度だけに依存。
HESS J1616-508



HESSの銀河面サーベイによって見つかった新TeVガンマ線源。
X線・電波の対応天体は無い。
TeVガンマ線では非常に明るい。
Fγ(>0.2TeV)=4×10-11erg/cm2/s ～0.19Crab
すざくPVフェーズで観測
FX(2-10keV) < 2×10-13erg/cm2/s
HESS
すざく 2-10keV
HESS J1616-508は陽子加速源か？
103yr
SNR WCR=
1051erg,
d=1kpc, n=1/cc (A=1)
HESS観測結果
F(>0.2TeV)
=4.3×10-11/cm2/s
Γ=2.4
π0 (A=1)
IC
Log(E/eV)
HESS J1616のTeVガンマ線は
F (2-10keV)
=2×10 erg/cm /sの時
逆コンプトン散乱では説明できない!
(Vela
Jr. 3.2 ×10-11 erg/cm /s)
(HESS J1616の上限値)
Fx (2-10keV)
=3.8×10-11 erg/cm2/sの時
2
x
-13
2
HESS J1614-518ですざくは何を見たいのか？




同じくHESSの新TeVガンマ線源。
X線、電波に対応天体無し。（X線ではASCA,Chandra,XMMいずれもそもそも観測が無い。）
TeVガンマ線では今回発見された新ソース中で最も明るい。
F（>0.2TeV) = 0.25 Crab
すざくAO-１で提案中。
→何か見えたらもちろん嬉しい。
→厳しいX線強度上限値は
陽子起源を示唆。嬉しい。
「見えないことを見たい」

すざくは大面積、低バックグラウンド、
迷光少ない→上限値決めに適する。
まとめ
シンクロトロン放射X線と逆コンプトン散乱TeVガンマはど
ちらも電子起源なので強度は比例する。
→X線強度の上限値を決めることは逆コンプトン散乱TeVガ
ンマ線強度の上限値を決めることに等しい。
→X線で暗く、TeVガンマ線で明るい天体はパイオン崩壊で
光っている、つまり陽子加速源であることを強く示唆する。
 HESS J1616のTeVガンマ線強度はICでは説明できない
ことがすざくによるX線の観測から分かった。


本当はこんな単純な話では無いのかもしれませんが・・・。
・X線が見えない→TeVはパイオン崩壊が見えているかも ○
・TeVはパイオン崩壊が見えている →X線は見えない
×
この場合どうX線が見えるかは更に勉強が必要。
おまけ

１Jy（ジャンスキー）＝10-23erg/s/cm2/Hz
明るい電波の天体が1~100Jyくらい。
カール・ジャンスキー：GCからの電波を発見（１９３１）

間違えやすいもの
・HESS J1616-508(正)とHESS J1614-518(正)と
HESS J1614-508(誤)とHESS J1616-518(誤)
・つっちー(正) と うっちー（誤）
いろいろと
反省します