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γ 線衛星 GLAST の概要とサイエンス October 08, 2005 日本天文学会秋の年会 水野 恒史ほか 広島大学理学部 [email protected]. 目次 GLAST 衛星の概要 これまでの日本の貢献 GLAST で期待される成果 ( 一般 ) 超新星残骸と粒子加速 銀河面拡散ガンマ線放射 まとめ. GLAST 衛星の概要. GLAST:2007 年打ち上げ予定の、米国、日本、欧州の国際協力からなる、宇宙ガンマ線衛星 日本の誇る Si ストリップ検出器 の採用により - PowerPoint PPT Presentation
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ASJ_2005-10-08.ppt
Tsunefumi Mizuno 1
γ 線衛星 GLAST の概要とサイエンス
October 08, 2005 日本天文学会秋の年会
水野 恒史ほか広島大学理学部
目次•GLAST 衛星の概要•これまでの日本の貢献•GLAST で期待される成果 ( 一般 )•超新星残骸と粒子加速•銀河面拡散ガンマ線放射•まとめ
ASJ_2005-10-08.ppt
Tsunefumi Mizuno 2
GLASTGLAST 衛星の概要衛星の概要•GLAST:2007 年打ち上げ予定の、米国、日本、欧州の国際協力からなる、宇宙ガンマ線衛星•日本の誇る Si ストリップ検出器の採用により
• 広視野 (~2sr 、全天の 20%)• 高位置分解能 (10’ in E>10 GeV)• 大有効面積 (~10000 cm-2)
を実現。 EGRET を数 10 倍上回る感度を持つ。
角度分解能
有効面積
0.1 1 10 100 GeV
EGRET
チェレンコフ望遠鏡
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Tsunefumi Mizuno 3
これまでの日本の貢献これまでの日本の貢献
~ 2.5 nA cm- 2
(low noize)
フライト品の暗電流分布
•GLAST の核となる Si ストリップ検出器の製造、性能評価 (Ohsugi et al. 2005)
•気球実験のシミュレーション、バックグラウンドモデル、データ解析 (Mizuno et al. 2004)
primary proton
secondary proton
upwarddownwarde-/e+
gammamuon
バックグラウンド事象の、実験データとシミュレーションの比較
alpha
•フライトタワーの動作試験、キャリブレーションパラメタの測定 (2005 年物理学会秋の年会 高橋ほか、本年会 河本他 )
•高品質かつ安定した性能•0.01% 以下の dead strip 率 ( 出荷時 )
•高カウントレート下での動作実証•バックグラウンドモデルの構築
さらに、
•日本はこれまで、 Si ストリップ検出器の製造、気球実験などを通じ、ソフト、ハード両面から貢献を行ってきた。
Si レイヤーの番号co
un
t/s
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GLASTGLAST で期待される成果で期待される成果 (( 一般一般 ))
•170 あまりの、 EGRET 未同定天体の同定 ( 特に銀河面天体 ) 。•EGRET による 7 つのガンマ線パルサー ->GLAST により、数 10 のサンプル
•パルサーの進化の解明•スペクトルから、放射機構の特定
•AGN(Blazar):GeV ガンマ線天体の最大勢力•多波長観測、フレアの時間発展による、ジェットの放射メカニズムの特定•ガンマ線と赤外光との相互作用 ( 対生成 )-> 初期宇宙の星生成の研究
•銀河、銀河団からのガンマ線放射•銀河毎の宇宙線量の測定•銀河団の合体による衝撃波加速:最高エネルギーの宇宙線の源?
Vela pulsar からのガンマ線スペクトルOuter gap model
Polar cap model
HESS 、 Suzaku との連携•HESS 未同定天体 ( 新種の天体? ) 、 SNR での粒子加速、銀河面拡散放射
•硬 X-GeVγ-TeVγ での観測で正体に迫る•電子成分と陽子成分 (GeVγ) の分離測定
可視光との連携 ( 広島大学 1.5m 望遠鏡 )•GRB 、トランジェント天体
•偏光 (可視 ) と γ 線スペクトルからジェットの構造に迫る
E2*F
lux
0.1 1GeV 10 100
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Tsunefumi Mizuno 5
超新星残骸と粒子加速超新星残骸と粒子加速
HESS による RXJ1713-3946 のイメージ+X 線コントア (S. Funk 2005)
•超新星残骸: knee(1015 eV) までの宇宙線の加速限•硬 X 、 GeV ガンマ、 TeV ガンマによる観測:シンクロトロン、逆コンプトン散乱 ( 電子成分 ) 、 pi0崩壊 (陽子成分 )
EGRET/GLASTの PSF(@10GeV)
分子雲 (Fukui et al. 2003, Moriguchi et al. 2005) Pi0 ガンマ?
多波長スペクトル (Reimer & Pohl 2002)
HESS
CANGAROOEGRET
X 線 GeVγ TeVγ
GLAST 5sigma 感度(1year 、銀河中心方向 )
•空間分解 :粒子加速の現場•GeV領域のスペクトル:電子成分か陽子成分か?
GLAST では PSF多波長観測
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銀河面拡散ガンマ線放射銀河面拡散ガンマ線放射 (1)(1)
•ガンマ線源:点源 + 銀河面拡散放射•拡散ガンマ線放射の放射機構:
•宇宙電子線と物質 (制動放射 ) 、 CMB(逆コンプトン ) との相互作用•宇宙陽子線と物質との相互作用 (pi0 ガンマ )
宇宙線と物質分布を探るプローブ
EGRET による全天マップ(E>100MeV)
SAS-IIおよび COS-B による銀河中心からの拡散ガンマ線放射
制動放射(EB)
Pi0崩壊(NN)
逆コンプトン(IC)
0.1 1 10 (GeV)
EGRET による銀河中心からの拡散ガンマ線放射 (Hunter et al. 1997)
ICEBNN
Extragalactic diffuse
0.1 1 10 (GeV)
GeV excess硬い陽子スペクトル?電子成分 (IC) の寄与 ?
E2*F
lux
E2*F
lux
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銀河面拡散ガンマ線放射銀河面拡散ガンマ線放射 (2)(2)
(1) 最新の実験、理論に基づいた陽子 - 陽子反応を用いたガンマ線スペクトルの計算(2)EGRET データの Deconvolution による、仮定によらない拡散ガンマ線分布の復元により、 GeV excessおよび拡散ガンマ線の解析を行っている。EGRET 銀河面拡散ガンマ線
の銀緯分布 ( 銀河中心方向 )
30-50MeV
150-300MeV
銀緯 -20 0 20 度
実データ
復元像
銀河中心方向の拡散ガンマ線スペクトルのモデル計算(Preliminary) Kamae et al. (2005) の
反応モデル (diffractive反応およびスケーリング則の破れ ) に基づくスペクトル従来の物理モデ
ルに基づくスペクトル
従来より硬い (べき ~0.05) な陽子成分を予想
放射が銀河面に集中していることを確立。スケールハイト ~4 度(Kamae & Elwe による )
GLAST では、、、•点源の寄与を取り除いた、精度の高いスペクトル•銀河の場所による違い ( 宇宙線分布の研究 )•RXTE, Suzaku による電子成分の分布との相関
PSF有効面積多波長観測
Deconvolution
E2*F
lux
0.1 1 10GeV
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Tsunefumi Mizuno 8
SummarySummary
•GLAST は 2007 年打ち上げ予定の宇宙ガンマ線衛星で、広視野・高空間分解能・大有効面積により、 EGRET の数 10 倍の感度を持つ。•日本グループは、 GLAST の核となる Si ストリップ検出器の製造、評価試験や気球実験を通し、ソフト、ハード両面から貢献してきた。•GLAST により、様々なサイエンスが可能となる。
•EGRET 未同定天体の同定•パルサーの放射機構、 AGN におけるジェットのメカニズム、初期宇宙の星生成、銀河・銀河団からの宇宙線、などなど。•HESS/Suzaku との連携、可視光観測との連携
•HESS 未同定天体の正体•SNR での粒子加速 (陽子か電子か? )•銀河面拡散放射 ( 宇宙電子、陽子線の分布と相関 )•GRB/ トランジェント天体 ( ジェットの構造 )
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e+ e–
GLAST Large Area GLAST Large Area TTelescopeelescope
CAL(U.S.A., France, Sweden):Hodoscopic array of 1536 CsI(Tl) scintillators (8 layers in each tower)
•Shower の発達を追い、エネルギーを測定
TKR(U.S.A., Japan, Italy):Si-Strip Tracker with Lead converter18 X-Y tracking planes, 228um pitch, 8x105 channels
•γ 線の identification 、到来方向の測定•Si ストリップを用いることで、高分解能を達成
ACD(U.S.A.):Segmented 89 plastic scintillator tiles
•荷電粒子 backgroundの除去•セグメント化で高エネルギーでの self-veto を減らす
GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope)=LAT+GBM
LAT: Large Area Telescope 2007 年打ち上げ予定4X4=16 towers3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m3
(30MeV-300GeV)
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Sensitivity of GLAST LAT(1)Sensitivity of GLAST LAT(1)
Integral Sensitivity
Flu
x ab
ove
E (
c/cm
^2/
sr)
1-year observation(high galactic latitude)
Morselli et al.
5-year observation(high galactic latitude)
1-year observation(galactic center region)
Crab Nebula
http://www-glast.slac.stanford.edu/software/IS/glast_lat_performance.htm 中の図を元に作成
~10 photons will be detected in one year
•E^-2(integral なら E^-1) なるスペクトルを持つ点源に対する 5σ 検出感度
10-8
10-9
10-1
010
-11
1GeV 10 1000.10.01
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More about GeV excessMore about GeV excess
6deg<|b|<10deg
2deg<|b|<6deg
-2deg<b<2deg
toward Gal. centeranticenter
•GeV excess is observed from the outer Galaxy as well as the inner Galaxy regardless of galactic latitude.
Possible Solutions:•harder proton spectrum•pp-interaction model•contribution of electron radiation•etc.
•We need tools to study GeV excess/diffuse emission
•galprop + up-to-date pp-interaction model
0.1 1 10 (GeV)
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PP-interaction modelPP-interaction model
•Based on up-to-date knowledge, pp-interaction model update was proposed by Kamae et al. (2005 ApJ). This model was intended to be used to calculate gamma-ray emission (galactic diffuse, AGN, SNR, GRB, etc.) without uncertainty. Hereafter we call this “TK model”•Thee features; rising cross section, diffractive dissociation and scaling violation
pp-interaction cross section Spectrum of generated gamma-rays
•Rising cross section in high energy•Add diffractive dissociation process
•Scaling violation
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Parameterization of pp-interactionParameterization of pp-interaction
Gamma Spectrum for diffractive dissociation
Gamma Spectrum for non-diffractive dissoc.
1TeV
512TeV512TeV
1TeV
•Under development by N. Karlsson and T. Kamae (see Niklas’s lunch talk) to replace time-consuming Monte Carlo simulations.•One update; add the Delta resonance (1232) and the other resonance (1600) to reproduce pp-interaction cross section and inclusive pi0 cross section in lower energies.•Immediate application: incorporate into galprop!
Inclusive Pi0 cross section