Transcript 1 - 牧島研究室

宇 宙 X 線 観 測 の 50 年
50 Years of Cosmic X-ray Observations
牧島 一夫
Kazuo Makishima
- 東京大学 理学系研究科 物理学専攻
- 同 ビッグバン宇宙国際研究センター
- 理化学研究所 宇宙観測実験
連携研究グループ
(C) 愛企画センター
(1) 宇宙Ｘ線の黎明期
Dawn of the research
(C) http://www.makita.co.jp/
(2) 基礎物理学へのインパクト
Impact on basic physics
(3) 日本のＸ線衛星の系譜 (4) ASTRO-H で開く未来
Japanese satellites
Future with ASTRO-H
(C) http://jcrgh.com/
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物理学会：宇宙Ｘ線50年
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The Discovery of Sco X-1
June 1962 (Giacconi+62, Phys.Rev. L. 9, 439)
payload
Thick
Window
Thin
Win.
Moon
Mag. F. vector
N
E
S
W
N
1. 「たぶん太陽系外」の源からのＸ線放射
X-rays from a possibly extra-solar source
⇒ Sco X-1, 最初の中性子星 the first NS
2. 宇宙Ｘ線背景放射 CXB
3. はくちょう座領域の銀河面からもＸ線超過
Excess from the Cygnus region
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Optical ID of Sco X-1
XR emission mechanisms considered then;
(e.g. 早川＋松岡 63； 会津, 藤本, 長谷川 & 竹谷 64)
knock-on e’s from atoms
CR
Protons
π→μ→e
•Synchrotron
CR
•Inv. Compton
electrons
•NT Bremss
•Fluorescence
Int’stellar hot gas,
including SNRs
Thermal Bremss
Prof. Oda and his
All diffuse!
modulation collimator
XR size＜20”; Gursly..小田+66 ApJL
From CR physics to astrophysics
Optical ID, first at 岡山, then at
Palomar; Sandage, .. 小田,大沢,
寿岳+66 ApJL
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X-ray Satellites
H
T
A-H
A
G
Share with γ-ray etc.
Cosmic X-ray
1970
1975
1980
1985
Tenma
日
本
1990
はくちょう てんま ぎんが
Hakucho
ひのとり Ginga
SAS-3
S
Space Station
1995
2000
Chandra
EXOSAT (ESA)
Copernicus (米英)
ROSAT (独)
ANS (蘭)
Ariel-6 (英)
BeppoSAX (伊)
Ariel-5 (英)
Einstein
HEAO-1
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NuSTAR
Swift
Rossi XTE
ASTRON
Mir/Kvant
2015
ASTRO-H
HETE-2 ひので
欧
州
ソ
露
2010
MAXI
ようこう
Uhuru
OSO-8
2005
すざくSuzaku
あすか ASCA
米
国
OSO-7
Japanese Solar
XMM-Newton (ESA)
INTEGRAL (ESA+露)
GRANAT
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From Old Album
“Hakucho widows”
Giacconi and Oda
Y. Tanaka at
Uchinoura
Nishimura & Ogawara
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Technological Developments
Hakucho
1979
Tenma
1983
Ginga
1987
ASCA
1993
Suzaku
2005
ASTRO-H
2014
rocket
M-3C
M-3S
M-3SII
M-3SII
M-5
H2A
weight
96
180
400
400
1700
2700
attitude
optics
spin stabilized
3-axis stabilized
Mechanical collimation
Modulation collimators
detector
Thin foil mirrors
Super mirrors
Compton cam
Si-solid state
Gas counters (PC, GSPC)
Non-Si S.S.
Cryogenic
Inorganic scintillators
U.energy
~20 keV
~25
~30
Sensitivity
1
~10
~300
2012/9/12
~10
~300
~600
~1e5 (rel. to Hakucho)
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Hakucho
ASCA XRT
(with USA)
Tenma
SPC
Ginga LAC (collab. with UK)
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Suzaku XIS
(with USA)
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ASTRO-H
「すざく」後継機、2014に打ち上げ予定
日本+米国NASA+欧州ESA+..の国際協力
 軟Ｘ線ミラー＋マイクロカロリメータ:
0.5-12 keV, エネルギー分解能 〜0.1%
 軟Ｘ線ミラー+ Ｘ線CCDカメラ：
0.3-12 keV、40分角の広視野撮像
 スーパーミラー + 硬Ｘ線イメジャー：5
〜80 keV の撮像分光
 軟ガンマ線検出器：
60~600 keV、コンプトンカメラ
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Why X-rays?
 ガスやダストを透過
High penetrating power
 hν〜K-shell energy
⇒ 元素分析に適す suited
for elemental analysis
 相対論的電子が好んで放射
Rel. electrons often emit
 いろいろな自己重力系 self
graf. sysでkTvir 〜Ｘ線hν
 研究テーマの多様性 A large
variety of research
subjects
Radius (cm)
1024
 低い環境バックグラウンド
Low envir. background
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gal.cluster
s
galaxies
1021
glob. cl.
1018
1015
stars
Jupiter
1012
109
106
WD
NS
1 103 106
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Virial Temp.
of Self
Gravitating
Systems
109 1012 1015
Mass（M◎)
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X-ray Impact on NS Physics
Hakucho : many XR bursts⇒
NS radius~10 km (Inoue+81)
1st X-ray burst
detected with
Tenma : Verification of standard acc.
disks around accreting NSs
(Mitsuda+84)
Hakucho, from
4U1608-52
(Murakami+81)
ASTRO-H: Nuclear EoS (Talks by
Hatsuda, Dotani); origin of the
strong MF; QED effects
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The Crab
-1
X
g
Cy
IG
1
0.1
0.01
V
1
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2
0
40
O
R
1
16
95
N eb u l a
-1
Suzaku : Evolution of wideband
magnetar spectra (Enoto+10)
Cyg X-1
10
rX
He
ASCA: ID of the soft γ repeater
SGR 1806-20 (Murakami+94)
Suzaku spectra of
compact objects
νFν (a.u.)
Ginga : Cyclotron resonances ⇒
B=(1-5)×1012 G, nuclear ferromagnetism?(Makishima+99)
Aql X-1 (high)
Aql X-1
ph (low)
4U 0142+61
10
100
10
Cyg X-1 as a BH
BHは一般相対論の数少ない実証手段の１つ
BHs provide one of the few clues to the GR
Opt. identified with
HDE226868
XR flickering discovered with
Uhuru (Oda+71)
The supergiant orbits
every 5.6 day
around ..
Mass of Cyg X-1 > 9.5 M◎ (e.g., Bolton 75) a BH !
Current: D=1.9±0.1 kpc (Reid+11);
Chandra XR image of
i=27°, Mx=15±1 M◎ (Orosz +11)
Centaurus A
 More than ~20 Galactic BHs known.
 Nuclei of active galaxies have been
recognized as accreting super-massive
(106-9 M◎) BHs.
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Accreting Black Holes
(Talk by
Inoue)
 降着BHは必然的にＸ線放射 Accr. BHs must emit X-rays.
Inner disk temp. of a standard accretion disk around a BH,
accreting at η times the Eddington luminosity;
1/ 4
1/ 2
1/ 4
-1/ 4
3
2
2
2
keV
kT = [(5h /8p ) /(a Ga Np )] [(mec )(mpc )] =1.0 h (M /10MÄ )
GS 2000+25 with
the Ginga ASM
(Tsunemi+89)
Soft & Hard state spectra of
Cyg X-1 with Suzaku
(Makishima+08,Yamada+12)
Highly constant Rin
(Takizawa 91)
Comptonizing hot
Standard accr.
corona
disk
The X-ray measured Rin agrees with
~3Rs from binary kinematics (Ginga &
ASCA: Makishima+00).
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Black Holes with ASTRO-H
Measuring BH spins: some BHs
and AGNs exhibit apparently broad
and skewed Fe-K line. Effects due
to Sp/G relativity?
Are they extreme Kerr BHs?
Enigma of ULX objects:
found in nearby spiral gal’s,
can these unusually X-ray
luminous objects
intermediate-Mass BHs?
M83 with Chandra
MCG-6-30-15 with
Suzaku (Miniutti+07)
How to understand the central
engines in BHBs and AGN
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Supernova Remnants (SNRs)
Cas A; thermal
(Tsunemi+8
emission in NEI
4) with Tenma
(Koyama+95)
SN1006 with ASCA;
bright synchrotron
emission site of CR
acceleration (Talk by
Terasawa)
Balloon
Balloon
Crab Nebula;
pulsar wind
nebula (牧島他、
1981年秋物理学
会講演概要集)
Einstein
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SNRs with ASTRO-H
Detailed plasma diagnostics
using superb E-resolution;
recombining plasmas etc. (talk
by Koyama, Masai)
G359.1-0.5 with Suzaku
(Ohnishi, Koyama +12)
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Measuremens of Ti using
thermal Doppler
Expansion velocities of
different elements
NT emission from a large
number of SNRs
Detection of rare elements
Tyco’s SNR with
Suzaku
(Furuzawa+09,
Hayato+10)
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Clusters of Galaxies in X-rays
Uhuru (1970): clusters are bright extended XR sources.
Inv. Compton emission by CR e’s from galaxies?
HEAO-1, OSO-8 : Ionized Fe-K lines ⇒hot (~108 K) intra-cl.
medium (ICM) ≫ stars ⇒ huge cosmological impact
Tenma〜ASCA : Fe, S, Si, Mg, Ne,O abundances in ICM ⇒
record of cosmic nucleosynthesis
ASCA: Something suppresses ICM cooling (Makishima+01)
Suzaku: Tight u. limits on NT emission (Nakazawa+01)
Tenma : Perseus Cl.
(Okumura+89)
Ginga : Fe abun. vs. kTe
(Hatsukade+89)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
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Suzaku : Perseus
Cl. (Tamura+09)
kT 2 3 4 5 6 7 8 9 keV
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Clusters of Galaxies with ASTRO-H
Cosmological aspects 
Allen’s talk
Search for NT signals,
possible UHECR source
A scaling law for cosmic
accelerators (Makishima 99)
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Study of galaxy vs. ICM
interaction  galaxy infall, ICM
heating, envir. effects on
galaxies
Galaxy light vs ICM mass ratio
profiles show strong evolution (Gu,
Makishima+12)
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Solar and Stellar X-rays
XR obs. had already started
in 1949: solar
XR with V-2 rockets.
In 1960, the word “X-ray
Astronomy” appeared.
An all-sky X-ray image of MAXI
(2009~)
(c) JAXA & RIKEN
A pin-hole camera
image of solar XR
(Blake+62)
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Solar corona
with Yohkoh
(1991-2001)
Einstein Observatory (1979):
all stars emit XRs
MAXI: stellar flares may
contribute to the Galactic
ridge XR (Matsuoka+12)
Laboratory for non-linear
plasma physics (talk by
Shibata)
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Without X-ray Observations..
もし宇宙Ｘ線研究が無かりせば, 人類は..
星をしのぐ量の宇宙バリオンが、銀河団の高温プラズマとし
て存在することを、知らなかっただろう。
ブラックホールの存在を実験的に検証できていたろうか。
中性子星の半径が〜10 km であることを観測的に検証するこ
とは難しかったはず。
超新星残骸やブレーザーで実際に激しい粒子加速が起きてい
ることは、ここまで明確になっていなかっただろう。
超新星残骸、銀河、銀河団などにおける元素組成の測定は、
ずっと精度が悪かったに違いない。
太陽コロナが磁気プラズマ現象であると断定できたか。
ガンマ線バースト、マグネターなどの魅力的な天体現象を、
知らずにいたかもしれない。
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