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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?