電離度 np/(np+nH) 40% 38% 32% 24%

VVVV

現在の観測(←後述）を説明するVLISM（=very local interstellar matter)のモデル（heliosphereから十分遠方の上流でのパラメタ）

Heerikhuisen et al. (2014) ApJ 784, 73を基に加筆

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

「全天軟X線放射研究会」<趣旨>全天Ｘ線監視装置MAXIのSSC装置は全天をＸ線CCDで観測した初めての装置である。

いまや4年間のデータが蓄積し、数十度以上にわたる大規模な微かな構造も見え始めた。

2keV以下の軟Ｘ線領域の全天構造は、2-20 keVの銀河系リッジＸ線放射や一様な

宇宙背景Ｘ線放射とは分布が異なり、別起源と考えられる。それは、1980年代は太陽系を

包み込むホットバブルだと考えられていたが、2000年以降、地球周辺のジオコロナや

太陽圏の中性物質が太陽風と電荷交換反応を行って出るＸ線輝線という説が有力である

。

銀河系中心方向を中心に大きく伸びるノースポーラースパーという大構造も太陽系近隣の

古い超新星残骸という従来の説と、銀河中心から放出された巨大バブルという比較的最近

の説がある。

これに対しSSCは、スペクトル帯域は0.7keV以上であり有効面積に不定性も大きいが、

広視野と時間変動からそれらの分離と正体解明に迫ることができる。一方で同じくCCDの

すざく衛星のXIS装置は、視野が狭く天空のほんの一部分しか観測できないが、酸素

輝線を検出でき有効面積も良く較正されている。この２つの装置を合せれば欠点を

補いあって全天軟Ｘ線放射の正体を解明できるかもしれない。その期待のもと、

両者の専門家を招待し、相互の結果の理解を深め、今後狙うべきサイエンスを議論する。

2014.5.27於理研・和光

軟X線の観測から、太陽系を取り囲むホットガス（～100万度K）の存在説を提案（1977）

Tanaka, Hayakawa,Yamashita,Bleeker et al

しかし、近年、太陽風・地球中性大気や太陽風・星間ガス中性成分の相互作用（荷電交換反応）

（例） O7+ ＋ H → O6+* ＋ H+

による蛍光X線(*)の寄与が見出され、1977に提唱されたホットガスの存在に疑問が持たれている。

(*)SWCX=solar wind charge exchange X raysと呼ばれる

電離度 np/(np+nH) 40% 38% 32% 24%

VVVV

現在の観測(←後述）を説明するVLISM（=very local interstellar matter)のモデル（heliosphereから十分遠方の上流でのパラメタ）

Heerikhuisen et al. (2014) ApJ 784, 73を基に加筆

磁場強度は未確定

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

「確定」したパラメタ＊

ただし磁場の向きには180度の不定性あり

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

内容

IntroductionVLISM （VLISM=very local interstellar matter)の観測手段（荷電交換X線以外）

紫外線吸収、太陽Lyα光の散乱光観測、ピックアップイオン観測、中性粒子観測

VLISMの概要（紫外線吸収観測）

ピックアップイオンの観測（He+)Lyαによる中性水素成分の観測中性水素、中性ヘリウム速度ベクトルの差→星間磁場方向の推定

中性粒子そのものの検出IBEX衛星による観測リボン構造の発見とその解釈

関連した観測TeV宇宙線の異方性観測→太陽圏のまわりの宇宙線の密度勾配・磁場方向推定

中性H,Heから決めた星間磁場方向とconsistent

VLISM（=very local interstellar matter）の観測手段(X線観測以外）

近傍の星からの紫外光の吸収

太陽紫外光の照り返し中性水素 Lyα 121.6nm, 中性ヘリウム58.4nm

太陽圏に侵入した中性粒子→電離→ピックアップイオン（PUI)

中性粒子そのものの検出 （技術的に難しく、漸く最近になって実用化）

電離（光電離、CX、電子インパクト)

Bにトラップされて

サイクロトロン運動を開始

B

ピッチ角散乱を受け、速度空間のシェルを形成

シェルの検出により、He PUIを同定(Moebius+ 1985)

中性粒子

B

太陽風

太陽風のcomoving frame

Dist. to LIC boundary 0.08pc ~26km/s3000y↑境界に非常に近い。

c.f. rc~ 0.01pc for 10TeV 陽子 in 1G

LIC (Local Interstellar Cloud)

• Heliosphere is located just inside LIC boundary.• LIC filled with warm interstellar medium is sweeping past the

heliosphere at a speed of ~26 km/s.• In less than 3000 years, LIC will have passed us by.

T~7000K, nH~0.1/ccIonization rate~0.52

Redfield & Linsky, ApJ, 535, 2000

Max. dimension ~ 6.8pcMin. dimension ~ 4.7 pc

近傍の星の紫外光の吸収の精密観測から

旧い値

Heliosphere 太陽圏（～１00AU)

26km/s

26km/sは音速ぎりぎりなのでbow shockが形成されるかどうか疑問

Bow shock?

McComas et al. (2012): 速度を改訂→23.2km/sとし、bow shockは「ない」と結論

（しかし、まだ議論の余地あり?）

以下引用する多くの図はやや古いためbow shockが描かれているものが多い（できるだけ、bow waveに修正）古い速度の値26km/sが使われている図もまだ多く残っている。

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

内容

IntroductionVLISM （VLISM=very local interstellar matter)の観測手段（荷電交換X線以外）

紫外線吸収、太陽Lyα光の散乱光観測、ピックアップイオン観測、中性粒子観測

VLISMの概要（紫外線吸収観測）

ピックアップイオンの観測（He+)Lyαによる中性水素成分の観測中性水素、中性ヘリウム速度ベクトルの差→星間磁場方向の推定

中性粒子そのものの検出IBEX衛星による観測リボン構造の発見とその解釈

関連した観測TeV宇宙線の異方性観測→太陽圏のまわりの宇宙線の密度勾配・磁場方向推定

中性H,Heから決めた星間磁場方向とconsistent

星間物質の太陽圏への流入

Interstellar wind

(～23.2km/s)

太陽風終端衝撃波

Heliopause

Bow wave

太陽圏尾 (heliotail)

100 AU

Galactic Cosmic Ray

Anomalous Cosmic Ray

Interstellar Pickup He+

Interstellar neutral He

太陽

極近傍星間物質(VLISM)は部分電離ガスなので中性成分は磁場構造を越えて太陽圏内部まで侵入。

→水素は3-4AUまで→ヘリウムは0.3AU以内まで

LISM wind

Gravitational focusing of the LISM wind VLISMの中性Heは太陽圏奥深くまで侵入

23 Sep

20 Mar

22 Jun

22 Dec1 AU

春分点方向

VLISM 風/He成分

Wu-Judge model 流れが重力により収束…古典的重力レンズHe密度のコントラストは数倍程度

0 3 6

He density (10-2 cm-3)

VLISMの中性Heは太陽圏奥深くまで侵入

VLISM風

23.2km/s, 6300K中性水素0.2個/cc

（Heはその10%）電離度24-40%

(不定性大、電離非平衡状態)

地球・太陽のラグランジェ点L2にいるACE衛星によるヘリウム PUI の常時観測

He

dens

ity (r

elat

ive

unit)

0

1

0

2

0

1998 Dec 1999 Dec 2000 Dec 2001 Dec 2002 Dec重力収束コーンの位置、幅、コーン内外のHe密度のコントラストはVLISMの流れの3D速度、温度を反映している。(毎年の形状変化は主に太陽UV光の変化による)

観測されたコーンの形状から、VLSIMの速度、温度、密度，電離度が決められる

23 Sep

20 Mar

22 Jun

22 Dec

春分点方向日本の寄与○ハレー探査機「すいせい」が0.7AUで

ヘリウムPUIを検出(1985、太陽からの近距離レコード)○火星探査機「のぞみ」の惑星間空間巡航中

にヘリウムPUIを検出(野田、博士論文2001; 山崎、博士論文、2001)

○Geotailでも観測ヘリウムPUIとbow shockの相互作用など

Nozomi

2000-2001の2回、地球(12月)とは違う時期(4月、6月)に重力収束コーンを横切った

VLISM中性水素成分の検出： 地球軌道までは侵入しない→Lyα観測によるremote sensing

光るのは～10AU近辺

水素の流れの速度＋地球公転速度によるドップラー効果が重要↓

季節による見かけの明るさの変動

Fig. 1. Two examples of absorption cell transmission maps recorded by SOHO/SWAN (on 25 April 1996 and 29 December 1996). Maps are in ecliptic coordinates. Blank areas correspond to the absence of measurements or to contaminated data. Maximum absorption directions (green areas) form a pattern close to a great circle. This ZDSC (zero-Doppler shift circle) is in a plane that is perpendicular to the interstellar gas velocity in the observer frame, i.e., the difference between the H flow motion (green dashed vector) and the Earth velocity (black vector). The data used for the present analysis (black dots) are series of secants of the ZDSC.Lallement et al., Science, 307, 1447- (2005)

観測されるHとHeの流れの方向の食い違い（～数度）

水素←→プロトン

荷電交換反応を繰り返すので磁場によるプロトンの流れの変化が水素にも反映。

一方、ヘリウムは荷電交換反応は無視できるので、もともとの星間ガスの流れを保存。

Fig. 3. A schematic view of the heliosphere in the case of a BIS inclined with respect to the flow direction [adapted from (24) and (25)]. Neutral (red arrows) and plasma (electrons and ions, black arrows) flows are sketched in the plane containing BIS (dashed lines) and the wind flow vector. The secondary flow of H atoms (marked 2) is generated between the bow shock and the heliopause in a region between the Sun-wind axis and the displaced stagnation line (green dashed line). According to such a scheme, the plane containing the primary flow (nondeviated, marked 1) and the secondary flow also contains the magnetic field, and the secondary flow arrival direction lies between the wind axis and the field direction.

中性粒子イオン

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

内容

IntroductionVLISM （VLISM=very local interstellar matter)の観測手段（荷電交換X線以外）

紫外線吸収、太陽Lyα光の散乱光観測、ピックアップイオン観測、中性粒子観測

VLISMの概要（紫外線吸収観測）

ピックアップイオンの観測（He+)Lyαによる中性水素成分の観測中性水素、中性ヘリウム速度ベクトルの差→星間磁場方向の推定

中性粒子そのものの検出IBEX衛星による観測リボン構造の発見とその解釈

関連した観測TeV宇宙線の異方性観測→太陽圏のまわりの宇宙線の密度勾配・磁場方向推定

中性H,Heから決めた星間磁場方向とconsistent

中性粒子そのものの検出

中性粒子の検出原理：金属表面でイオン化して、

そのイオンを質量分析（Hsieh & Gruntman, 1993)

中性粒子フラックス↓ ↓ ↓ ↓ ↓

IBEX (International Boundary EXplorere) として実現2008～

スピン軸（太陽指向）

視線方向（視野角6.5度×6.5度）

IBEX打ち上げ前に期待されていた観測結果

（全天を半年でスキャン）

IBEX観測：中性粒子による全天イメージ （McComas et al., 2012)

IBEX観測：中性粒子による全天イメージ→「リボン構造」

磁場方向はH-Heの速度ベクトルの違いで決めたもの

Heliopause（法線ベクトルn）に星間磁場Bが巻き付く

↓(n,B)=90度となる領域付近で星間プラズマの濃度上昇

↓そこで起こる荷電交換により

生まれた高速中性粒子↓

リボン状となって観測される

アイデア

MHDモデルによる説明の試み

↓Heerikhuisen et al.

(2014)

Ribbon構造をMHDモデルにより説明する試み→Heerikhuisen et al. (2014)

IBEX観測：中性粒子による全天イメージ （McComas et al., 2012)

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

内容

IntroductionVLISM （VLISM=very local interstellar matter)の観測手段（荷電交換X線以外）

紫外線吸収、太陽Lyα光の散乱光観測、ピックアップイオン観測、中性粒子観測

VLISMの概要（紫外線吸収観測）

ピックアップイオンの観測（He+)Lyαによる中性水素成分の観測中性水素、中性ヘリウム速度ベクトルの差→星間磁場方向の推定

中性粒子そのものの検出IBEX衛星による観測リボン構造の発見とその解釈

関連した観測TeV宇宙線の異方性観測→太陽圏のまわりの宇宙線の密度勾配・磁場方向推定

中性H,Heから決めた星間磁場方向とconsistent

宇宙線の異方性(数～20TeV領域）

Tibet/IceCubeによる異方性観測（SKのμの異方性もconsistentな結果）

http://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/673xvariable_height/public/sun_position_0.jpg?itok=FljhudbO

仮定：○宇宙線粒子は局所標準静止系(LSR

=local standard of rest)で等方的○太陽圏のLSRに対する相対運動uLSR

により、宇宙線粒子密度f0に勾配が作られる

ここで、x軸をuLSRに平行な方向にとった。異方性ξは次式で与えられる：

ただし、

bは磁力線方向の単位ベクトルで、

κ∥、κ⊥、κTは拡散係数テンソルの対角成分、非対角成分

Schwadron et al. (2014) Science宇宙線の異方性(数～20TeV領域）

観測された宇宙線異方性 モデルから得られた宇宙線異方性

宇宙線の異方性(数～20TeV領域） Schwadron et al. (2014) Science

磁場方向、 uLSRにはIBEXなどの最新の結果を使用

太陽風と星間ガス中性成分の相互作用

内容

IntroductionVLISM （VLISM=very local interstellar matter)の観測手段（荷電交換X線以外）

紫外線吸収、太陽Lyα光の散乱光観測、ピックアップイオン観測、中性粒子観測

VLISMの概要（紫外線吸収観測）

ピックアップイオンの観測（He+)Lyαによる中性水素成分の観測中性水素、中性ヘリウム速度ベクトルの差→星間磁場方向の推定

中性粒子そのものの検出IBEX衛星による観測リボン構造の発見とその解釈

関連した観測TeV宇宙線の異方性観測→太陽圏のまわりの宇宙線の密度勾配・磁場方向推定

中性H,Heから決めた星間磁場方向とconsistent