２１世紀に残された宇宙の謎(1) 超高エネルギー宇宙線と

宇宙ジェット

小玉英雄理論宇宙物理グループ素粒子原子核研究所， KEK

高エネルギー加速器科学　　 2010 年 9 月 7 日

宇宙ジェットの謎

ダークエネルギー

暗黒物質

通常物質

宇宙膨張の謎

宇宙線の謎

イン

フレ

ーシ

ョン

熱いビッグバン宇宙

現在

の宇

宙の

加速

膨張暗

黒時

代

宇宙創成の謎

宇宙線の謎

加速器実験

(100GeV⇒ LHC 7TeV)

Fermilab (2TeV)

高エネルギー素粒子の衝突反応

新素粒子の発見，相互作用の研究

自然法則の解明

KEK50 GeV

CERN

どこまで加速出来るか？• 加速器

– KEK ps: 　 50GeV , 4£ 10-16cm ' rN/ 500

– CERN LEP: 100GeV 　 (Cf. mZ' 91GeV)

– FNAL Tevatron: 2TeV=2000GeV (Cf. mt' 170GeV)

– LHC: 14 TeV 　 ) Higgs 粒子，超対称性？

• 障害– 軌道半径

– シンクロトロン放射

1GeV=109 eV 1TeV=103 GeV= 1012 eV

B

F

現在の加速器技術では、電子で 100GeV 程度，陽子で10TeV 程度が限度！！

x

負エネルギー電子の海

E

対生成

臨界電場

磁場から作るとすると

例：回転中性子星

Cf. 中性子星の回転減衰時間

高エネルギー宇宙線

From http://pdg.lbl.gov/

• Emax > 1011 GeV• Knee: E» 106 GeV• Ankle E » 1010 GeV• Galaxy limit = 109 GeV RL= pc/eB = 1 kpc

宇宙からは， 1011 GeV を超えるエネルギーの粒子が地球に降り注いでいる．

エネルギー勘定• 宇宙線の全エネルギー

– CR ¼ 1 eV/cm3 ⇒ LCR¼ 1041 erg/s per galaxy Cf. 3£ EK,SN / 100 yr ¼ 1042 erg/s

• 宇宙線の加速– 衝撃波による１次の Fermi 加速では

Emax » Z£ 5¢106 GeV （超新星残骸）

これにより，宇宙線の銀河成分およびスペクトルでの折れ曲がり（ Knee ）が説明出来る．

– しかし，銀河系外に起源をもつ超高エネルギーがどこでどのように加速されるのかは大きな謎である。

GRBs, very massive DM, topological defects …

宇宙線加速のエネルギー上限

磁場によるジャイロ半径 < 領域のサイズ R

シンクロトロンエネルギー損失

背景放射バリアーg

p N

pエネルギー条件： ECM > m¼ + mN

g

g

e

e+

エネルギー条件： ECM > 2me

Optical depth against CMB

Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009; Roncadelli, de Angelis, Mansutti 2009

GZK 効果

From http://pdg.lbl.gov/

Lorentz 不変性の破れ？

GZK limit = 5£1010 GeV

p + gCMB ! N + p

GZK 限界を超える宇宙線陽子は 100Mpc 以上の距離を飛べない．

GZK=Greisen-Zatsepin-Kuzmin(1966)

Axion

• Originally,a psued-Goldstone boson for the Peccei-Quinn chiral symmetry to resolve the strong CP problem.

• Basic features of the invisible QCD axion– Weak coupling (chiral) :

gaq ¼ mq/fa ; fa &108GeV– Small mass by the QCD instaton effect:

ma ¼ 10-3 eV (1010GeV/ fa)

– Dark matter candidate

a . 0.01 (fa/1010GeV)1.175

– Coupling to gauge fields via anomaly: g a F Æ F

• General Definition (ALP)– A pseudo scalar with shift symmetry and P/CP violation

a

g

g

q

g5

Axions in Astrophysics

• Key point

Axions are converted to and from photos by mixing:

• Solar axions due to the Primakov effect: – CAST experiment at CERN(2007, 2008)

Cast Collaboration (2008) arXiv: 0810.4482

agq

g5

B, E

Primakoff Effect• Conversion rate

where s is the screening scale given by

• Total axion number flux at the Earth

• Estimation– Axion flux: a=g10

2 3.75£1011 cm-2 s-1

– Axion luminosity: La= g102 1.85£ 10-3 L⊙

– Average energy: h Ei =4.2 keV, h E2i=22.7 keV2

Raffelt GG: Plasmon decay into low mass bosons in stars, PRD37:1356 (1988)

CAST Bounds

CAST Collaboration (2008) arXiv:0810.4482

Experimetal Constrants: summary

S. J. Asztalos, L. J. Rosenberg, K. van Bibber, P. Sikivie, and K. Zioutas, “Searches for astrophysical and cosmological axions,” Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 56 (2006) 293-326.

J. Jaeckel, A. Ringwald:arXiv:1002.0329The Low-Energy Frontier of Particle Physics

g-a Conversion by Magnetic Fields• Propagation equation

where

with pl2=4p ne/me being the plasma frequency, and R and CM represents the Faraday rotation effect and

the vacuum Cotton-Mouton effect, respectively.• Non-resonant conversion

For homogeneous magnetic fields,

where

For a random sequence of N coherent domains [Grossman Y, Roy S, Zupan J: PLB543:23(2002)]

• Resonant conversion

Spectral Deformation of Cosmic g-rays by Galactic and Intergalactic Magnetic Fields

• Photon-ALP conversion rate

where

• Estimations

Can be observed by GLAST(10% deformation) and E*=102 GeV » 1 TeV if ma ¼ 10-6»10-8eV at the CAST bound on ga g and

– Intergalactic fields: Ldom» 1Mpc, B=(1-5)¢ 10-9G for D=200» 500 Mpc– Intracluster fields: Ldom» 10kpc, B=10-6G, ne' 10-3 cm-3 for D= 1Mpc– Galactic fields: Ldom» 10kpc, B=(2-4)¢10-6G, ne' 10-3 cm-3 for D= 1Mpc

De Angelis A, Mansutti O, Roncadelli M: arXiv:0707.2695 [astro-ph]

• Strong mixing can occur between cosmic g-ray and axions by cosmic magnetic fields

Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009 arXiv0910.4085

– UHE gammas from QSOs and Blazers can penetrate the CMB/CIRB barrier to explain the observed flux.

Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009; Roncadelli, de Angelis, Mansutti 2009

Optical depth against CMBExpected flux from 3C279

宇宙ジェットの謎

宇宙はジェット流で満ちている！

双極流＝生まれたての星からのジェット

CrabPulsar.mpg

Crab Nebula (HST + Chandra) [HubbleSite]

中性子星，ブラックホール

1kpc scale jet from M87 [HubbleSite]

銀河中心にある巨大ブラックホール

超相対論的ジェットはクエーサー，マイクロクエーサー， γ 線バースターのエンジン

ブラックホールからのジェットのLorentz 因子 は，クエーサーで30 ， GRB で 100 － 300 にもなると推定される．

49 jet sources from 2cm multiepoch VLBA observations [Kellermann et al, ApJ609:539(2004) ]

ジェットは，活動的銀河中心核，ＱＳＯ，マイクロクエーサー，ガンマ線天体のみならず超新星爆発でも中心的な役割を果たしていると考えられるようになってきた． Mirabel IF, PTP Sup.

155, 71 (2004)

超相対論的ジェットの加速機構は大きな謎

• MHD モデルは最も有力視されているが、十分大きな Γ をもつ定常なジェットを実現することには成功していない。

• 超新星爆発を引き起こすジェットを生み出すのでさえ、異常な強さの磁場 (> 1011 T) が必要となる。

• 数値シミュレーションは、ブラックホールエルゴ領域での磁気 Penrose過程 (Punsky B, Coroniti F 1990) のような一般相対論的効果が決定的な役割を果たしていることを示唆している [Nagataki S et al: ApJ, to be pub (2007)]

• 宇宙ジェットは、超高エネルギー宇宙線の加速場

所として最も有力な候補となっている。

Kato et al: ApJ 605, 307 (2004)

宇宙ジェットの研究は、超高エネルギー物理やブラックホールの構造を含めて、極限状況での物理について貴重な情報をもたらすと期待される。

ジェット形成の困難

• 重力系は負の比熱をもつ：– Kepler運動： E=-GM/(2r), V2= GM/r

dE<0 => dr <0 => dv >0 – Viral 平衡 : 2<K>=-<EG> => E=-<K>= <EG>/2

• 熱エネルギーを用いて低エントロピージェットを形成するのは熱力学と矛盾：– ¢ E <0 => ¢ T>0 => ¢ S<0

• 唯一の解決策は，ブラックからエネルギーを引き出すこと．

Ergo Region• エルゴ領域

– 回転ブラックホールの周りには、粒子が静止できない領域が常に存在。

– この領域内の粒子は、負のエネルギーをもつことが許される。

• Penrose過程– エルゴ領域が存在すると、ブラックホール

からエネルギーを取り出すことが可能となる。

• 過反射現象– エルゴ領域が存在すると、ブラックホール

に入射した波が反射される際に、振幅が増幅されることが可能となる。　

Kerr BH

エルゴ領域

E0 < E1

Observatories of Extreme Physics• Gravitational Waves

– Ground-base Laser Interferometers: Stellar systemsTAMA, LIGO, GEO, Virgo ⇒ LGCT, Adv-LIGO, LIGOII

– Space Laser Interferometers: ⇒ BBO: LISA, DECIGO• Radio

– Ground-base VLBI/VLBA: CJF, RRFID, 2cm Survey/MOJAVE– Space VLBI : HALCA(VSOP) ⇒ VSOP-2/ASTRO-G( 磁場の測定可） , RADIO Astron

• Optical/IR– Ground-base telescope: Subaru(8m) ⇒ JELT(30m), TLT, Euro50, …

• X-rays– Hakucho, Tenma, Ginga, Aska, Suzaku, Chandra ⇒ ?

• Gamma-rays– Ground-base: CANGAROO, HESS, MAGIC ⇒ CTA– Space: EGRET⇒ GLAST

• Cosmic Rays– Neutrinos

(Super-)KAMIOKANDE, Cascade Grande, AMANDA ⇒ CAROT, ICECube– UHE CRs

AGASA, HiRes ⇒ Pierre Auger.HALCA observations of NGC1052 and NGC4261

Massless Scalar Field around BH• Klein-Gordon product

From the field equation

the KG product defined by

is independent of the choice of the Cauchy surface in DOC.

• Scattering problem

No incoming wave from the black hole

• Asymptotic behaviour– At infinity

– At horizon

where *= – mh , 　 .

Superradiance • Flux conservation

• Superradiance condition

This condition is equivalent to

Cf. Penrose process in the ergo region [Penrose 1969]

Black Hole Bombs• Black hole in a mirror box

[Zel’dovich 1971; Press, Teukolsky 1972; Cardoso, Dias, Lemos, Yoshida 2004]

• Massive bosonic fields around a black hole [Damour, Deruelle, Ruffini 1976;]

For light axions around an astrophysical black hole, an instability occurs. Its growth rate is [Zouros, Eardley 1979; Detweiler 1980]

Numerical calculations show that the maximum instability is :[Furuhashi, Nambu 2004; Dolan 2007],

Here note that

Cf. AdS-Kerr black holes [Hawking, Reall 1999; Cardoso, Dias 2004; Cardoso, Dias, Yoshida 2006]

Magnetic Penrose process and relativistic cosmic jets in GRB [van Putten 2000; Aguirre 2000; Nagataki, Takahashi, Mizuta, Tachiwaki 2007]

Axionic Instability of BHs• Due to the superradiance instability, black holes with a specific mass

lose angular momentum resonantly.

Axionic Siren• If the angular-momentum supply

by accretion is rapid enough,

the system becomes a strong source of GW above the LISA bound as well as radiation if there exist strong magnetic fields.

Here ² appears due to the GW emission loss and is of order 10-7 .