銀河中心領域拡散 X線放射

松本浩典(名古屋大学 KMI現象解析研究セン

ター )

内容

• 銀河中心 diffuse X 線放射– 熱的放射

• 鉄の 6.7keV, 6.9 keV 輝線– 銀河中心領域 (l~0deg, b~0deg)– バルジ領域 (l~0deg, b~1deg)– リッジ領域 (l~10deg, b~0deg)

非熱的放射 ( 中性鉄蛍光 X 線 ) については、時間があれば。

X-ray image of the GC region

Red: 1 – 3 keVGreen: 3 – 5 keVBlue: 5 – 8 keV

Wang et al. 2002, Nature, 415, 148

•たくさんの点源 (X 線連星系 )•Diffuse 放射

20arcmin ~ 60pc

Chandra image (100 分角 ×40 分角 )

銀河中心 diffuse X 線スペクトルSuzaku Koyama et al. 2007, PASJ, 59, 245

X 線天文で非常に重要な輝線です

答え : 鉄の特性 X 線6.4keV中性鉄の Kα 輝線(Fe I)

6.7keVヘリウム状イオン鉄の Kα 輝線 (Fe XXV)

6.9keV水素状イオン鉄の Kα 輝線 (Fe XXVI)

他の特性 X 線

Fe I KβNi I Kα

Ni XXVII Kα& Fe XXV Kβ

Fe XXVI Kβ& Fe XXV Kγ

Fe XXVI Kγ

鉄の分布Fe I (neutral)

Fe XXV (He-like)

Fe XXVI (H-like)

すざく X 線 CCD イメージ　 (3deg × 0.5deg)

鉄の分布

• 高階電離の鉄 – 6.7 keV 輝線と 6.9 keV の輝線 : 似ている

• 中性の鉄 – 6.4 keV 輝線– 高階電離鉄分布とかなり異なる。より patchy 。

6.4keV

6.7keV

6.9keV

高階電離鉄の起源と、中性鉄の起源は、別に考える必要がある。

銀河中心 diffuse X 線

中心領域(l~0deg, b~0deg)

バルジ領域(l~0deg, b~1deg)リッジ領域

(l~10deg, b~0deg)

銀河中心の高階電離鉄の起源

• 宇宙線中の鉄原子核と、星間ガスの荷電交換反応？– 中性鉄輝線をも同時に説明しようとする野望。

• 高温ガス ?

どうやって区別する？

He 状イオン鉄輝線の微細構造を使用。

荷電交換反応

Fe+26 星間ガス( 主にH, He)

Fe+25

Fe+24

H-like Fe line(6.9keV)

He-like Fe line(6.7keV)

宇宙線中の鉄原子核

宇宙線中の鉄イオンが、星間ガス中の水素やヘリウムから電子を強奪する。

ヘリウム状イオン鉄輝線の微細構造

Energy

W

xyz

Highly resolved 6.7 keV line(ASTRO-H 衛星ならこう見えるはず )

輝線の中心エネルギーは、微細構造線の含まれる比率による。

X 線 CCD では、これらを分解できない。あわせて一本の輝線とみてしまう。

荷電交換反応の場合

• 電子は高エネルギー準位に入る。– エネルギー保存則

• 電子は下の準位に落ちていく。

• n=2 の各準位 (l=0, 1) は、統計的に埋まっていく。

E=0

n=113.6eV

n~25

n=1

n=26.7keV line

Fe XXV

H

電荷交換反応の場合統計的に埋まっていく

•x, y, z 輝線は w 輝線と同程度出る。•6.7keV 輝線の中心エネルギー ~6666 eV.

Z: 6637eVY: 6668eV

X:6682eVW: 6701eV

Eすざく X 線 CCD 分解能中心値 ~6666eV

高温ガスの場合

• 基底状態の電子が、衝突 ( 電磁相互作用 ) でn=2 に上がる。– 電気双極子遷移– スピンは反転しない

• 1P1 準位が優先的に埋まる

• W 輝線が強い• 中心エネルギー ~6685eV

優先的に埋まる

w

xyz

すざく CCD 分解能中心値 ~6685eV

すざく衛星観測結果

2. 高温ガス

1. 荷電交換反応

6666eV

6685eV

zw

w

z

Hi resCCD

Hi resCCD

6680 +/- 1 eV

高温ガス起源を支持

(Koyama et al. 2007)

高温ガスの温度を測定する。He-like Fe K α(6.7keV)

H-like Fe Kα (6.9keV)

He-like Fe Kβ(7.9keV)

輝線強度の比を利用I(6.9keV)/I(6.7keV): イオン化温度I(7.9keV)/I(6.7keV): 電子温度

高温ガスの温度分布 ( 銀径方向 )

kT = 5~7 keVイオン化温度

•イオン化温度 ~ 電子温度 ~ 5 – 7keV•l = 0.2deg ～ -0.4 deg でほぼ一定

6.9k

eV輝

線強

度/6

.7ke

V輝

線強

度

高温ガスの質量測定

Thermal bremsstrahlung

Power-law

連続成分の光度を利用

Lx ∝ np ne V √T np ne V ~ 1060 cm-3

高温ガスの質量とエネルギー

• Total emission measure (nenpV)~ 1060 cm-3

• 高温ガスは少なくとも 1deg (~150pc) に分布– V ~ 1062 cm3

– ne ~ 0.1 cm-3 (ne ~ np)

• Total thermal energy E ~ 3/2 (ne + np) kT V ~ 10 53 erg • Total mass M ~ 8000 Msun

エネルギー収支• 高温ガスの温度 (kT~6keV) >> 重力ポテンシャル

(kT~400eV).– Mgal ~ 2e11Msun, Rgal ~ 20kpc (G Mgal mp)/Rgal ~ 400eV

• 高温ガスは逃げていく。– 1 degree 以上に分布 (~150pc)– 音波が横切る時間スケール ~ 105 years.

• 音波の速度 (kT~6keV) ~ 108 cm/s

• 全熱エネルギー ~1053 erg~1048 erg/year のエネルギーが注入されなければならない。銀河中心部 150pc の領域だけで、 100 年 ~1000 年に一発の超新星が必要。

対抗説 : 分解できない点源の寄せ集め• 高温ガスを持つ暗い点源がたくさん集まっていたらよい。

– 最有力候補 : 激変星 Cataclysmic Variable (白色矮星連星系 )•空間密度 ~ 3x10-5 pc -3

主星 降着流

磁場を持つ白色矮星

Surface of white dwarf

Accretion stream

kT=1—25keV

激変星 (CV) の X 線スペクトルExample of CV spectrum

CV GC hot gas

EW of 6.7keV

~200eV ~400eV

EW of 6.9keV

~100eV ~150eV

銀河中心高温ガスを全部 CV で説明するのは難しそう。

Chandra の銀河中心長時間観測 (1Msec): 全光度の 40% しか点源に分解できない (Revnivtsev, Vikhlinin, and Sazonov 2007, A&A, 473, 857).

3本の鉄輝線を持つ。

銀河中心高温ガスの起源

• 超新星爆発説– エネルギー注入源として最もポピュラー。

•特性 X 線を利用した撮像観測で、新 X-ray SNR が銀河中心でよく見つかる。

– kT ～ 6keV の超新星残骸は知られていない。•通常 kT ～ 1keV 程度

•過去の銀河中心核の活動？•その他？

– 磁気的なもの？

よくわかっていない。

バルジ領域 : 点源の重ね合わせ

Chandra image at (l, b)=(0.113°, -1.424°) Chandra spectrum

Revnivtsev et al. 2009, Nature, 458, 1142

バルジ領域の diffuse X 線の起源は、銀河中心とは異なりそうだ。

黒 : 全スペクトル青 : 点源赤 : 黒 -青

点源分解率 (青 /黒 )

リッジ領域 (|l|>1deg, b~0deg)銀径 1 度以上にも 3 本の鉄ラインは存在する。= Galactic Ridge X-ray Emission (GRXE)

Yamauchi et al. 2009, PASJ, 61,295

Iron line from GRXE

Uchiyama 2010, PhD thesis

リッジ領域のイオン化温度( 水素状鉄 Kα/ ヘリウム状鉄 Kα)

I(6.

9keV

)/I(

6.7k

eV)

リッジ領域の温度は、中心領域より低い。

Chandra Deep observation (90ksec)

(l,b)=(28.45deg, -0.2deg)Ebisawa, Maeda, Kaneda, Yamauchi, Science, 2001

点源では説明できなかったEbisawa, Maeda, Kaneda, Yamauchi, Science, 2001

リッジ放射を点源で説明するために必要なレベル

この観測で検出された点源

リッジ放射の起源は？• 高温ガス？

– 中心領域より温度が低い。• なぜ？

– エネルギー収支の問題は、より深刻になる。

• 分解できない点源の重ね合わせ？– Chandra 100ks 観測でも検出できないほど暗い– ヘリウム状鉄 Kα 輝線の等価幅 : 300 – 900 eV

• CV にしては大きすぎる。

やはり起源は未解決

銀河中心熱的放射のまとめ

中心領域(l~0deg, b~0deg)

バルジ領域(l~0deg, b~1deg)

リッジ領域(l~10deg, b~0deg)

高温ガス (kT~6keV)

CV の重ね合わせ

起源不明• 高温ガス？• CV の重ね合わせ？