日本物理学会 第71回年次大会@東北学院大学

水村 好貴 (京都大学）

谷森達, 高田淳史, 岸本哲朗, 古村翔太郎, 宮本奨平, 水本哲矢, 中増勇真, 園田真也, 竹村泰斗, 吉川慶, 窪秀利, 黒澤俊介A, 身内賢太朗B, 澤野達哉C, 松岡佳大, 中村輝石, Parker Joseph,

友野大 （京都大学, A東北大学, B神戸大学, C金沢大学）

19aAT-5

光度曲線

MeV gamma-ray (50 keV—4 MeV)

IR—Opt.—UV

SD DD

SD

DD

2

A. Summa, …, K. Maeda, et al., A&A 554, A67 (2013)

観測機器に要求される項目 良い点源角度分解能 (PSF) 効率的な雑音事象の抑制 広い視野 (FoV)

MeVガンマ線観測は Ia型超新星爆発の 重大なヒントをもたらす

伴星からの質量降着

©NASA

白色矮星同士の合体

どちら?

共存している 可能性も!?

©David A. Hardy/AstroArt

56Ni(t1/2 = 6.1日)→56Co(77.2日)→56Fe

SDモデル DDモデル

軌道傾斜角

による不定性

E. Churazov+, 2014, Nature, 512, 406

56Co lines: (847 & 1238 keV) 50 days during 50-100d

56Ni lines: (158 & 812keV) 3 days around 17.5d after SN

R. Diehl+, 2014, Science, 345, 1162

Black: raw data (3 days data set) Green: BG model

Excess!!

800-880 keV 1.2-1.3 MeV

812 keV

847 keV 1238 keV

50 days data set SPI

IBIS

3

2.9 s

Y. Mizumura+ (2014)

ETCC E T C C

4

従来型の Compton Camera

ETCC

電子飛跡を 測定できず

反跳電子の 詳細な三次元 トラッキング

artifacts

強烈な撮像能力の改善

Point Spread Function (PSF)

点源からの半数の光子が >30o: 従来型の望遠鏡 1-2o: ARM 2o + SPD 5o

に再構成される

662 keV f < 60o

ARM

SPD

e-

5

GSO pixel scintillator array

f

Signal BG

BG

BG

BG

BG

BG

BG

BG

BG

INTEGRAL COMPTEL ETCC Electron-Tracking Compton Camera

光子毎には 0方向角情報

光子毎に 1方向角情報 光子毎に2方向角情報

擬似イメージング 真のイメージング

(Coded Mask) (Compton Camera)

ETCC将来機でどんなデータ提供が可能か?

真のイメージングで雑音混入量を減らす！

Ia型SN発生レート (<60 Mpc): ~2x10-5 [yr-1 Mpc-3]

SN Ia Explosions Instruments & Operation

装置: Satellite-ETCC (4 x 50 cm-cubic ETCCs)

有効面積: 240 cm2 @ 1 MeV

Point Spread Function: 2o @ 1 MeV (50% contained)

エネルギー分解能: 5 x (E/(662 keV))-0.5 [%]

視野: 2p sr Livetime (incl. FoV): 33% 衛星運用: 低軌道衛星で5年間の観測

BGスペクトル: 2 x (観測されたMeV背景放射)

Fluxの不定性:

56Ni生成量 20% (SD & DD)

軌道傾斜角 30% (only DD)

Distance [Mpc]

SN rate [yr-1]

in 5 yrs [SNe]

15 0.28 1.4 20 0.67 3.4 40 5.4 27 60 18 90

スペクトルの時間発展: A. Summa+ (2013) models (一部を内挿補間)

6 SN Iaの発生距離、Flux不定性、光子統計 --> 乱数シミュレート

7

50 days observation (50-100 days since SN)

Expected Event rate Expected Event rate

SD DD

847 keV

1238 keV

1038 keV

1771 keV 2038 keV

2598 keV

3253 keV

847 keV

1238 keV

1038 keV

1771 keV 2038 keV

2598 keV

3253 keV

E. Churazov+ (2014, Nature)

847 keV 1238 keV

50 days data set

INTEGRAL’s results: SN2014J (~3.5Mpc)

1038 keV

SPI

IBIS Observed BG

Assumed BG (2 x Observed BG)

x2

M. Ajello+, 2008, ApJ, 689, 666

仮定した Background flux

SD DD Expected Event rate Expected Event rate

BG subtracted rate BG subtracted rate

1771 keV 2598

keV 3253 keV

4.9s

6.5s

~2 s

1771 keV 2598

keV 3253 keV

1 2 3 4 0.5 1 2 3 4 0.5

3.1s

3.8s

847 keV

1238 keV

511 keV 847

keV 1238 keV

511 keV

50 days observation (50-100 days since SN) ~5.4 SNe/yr

8

PSF 2o (@1MeV)

PSF 2o (@1MeV)

1 2 3 4 0.5 1 2 3 4 0.5

50 days observation (50-100 days since SN) ~5.4 SNe/yr

9

~2s

(1771 keV) 12s

(847 keV)

9.5s

(1238 keV) ~2s

(2598 keV)

3.9s

(3253 keV)

~2s

(511 keV)

~2s

(1771 keV) 7.7s

(847 keV)

7.6s

(1238 keV) ~2s

(2598 keV)

2.8s

(3253 keV)

~2s

(511 keV)

BG subtracted rate BG subtracted rate

SD Expected Event rate

1771 keV 2598

keV 3253 keV

847 keV

1238 keV

511 keV

DD Expected Event rate

1771 keV 2598

keV 3253 keV

847 keV

1238 keV

511 keV

PSF 1o (@1MeV)

PSF 1o (@1MeV)

10

20-40 Mpc (23 SNe)

40-60 Mpc (63 SNe)

SD DD

SD DD

SNの個性(Flux, 軸不定性など)を 多数のSN観測で抑える事が有効！

--> All-Sky Survey

11

20-40 Mpc (23 SNe)

40-60 Mpc (63 SNe)

SD DD

SD DD

SNの個性(Flux, 軸不定性など)を 多数のSN観測で抑える事が有効！

--> All-Sky Survey

20-60 Mpc (86 SNe)

SD & DDシナリオの 共存比を特定できるか!?

5年間の衛星観測で、 20%程度の不定性で 共存比がわかる！

SD

DD

検出有意度 [s] 3 4 5

Conservative (SD, DD) [Mpc] 70, 55 60, 48 55, 45

Optimistic (SD, DD) [Mpc] 110, 85 95, 75 85, 65

12

SD

DD

100 days (40-140 days), 0.7-4 MeV Conservative model BG: 2x(Observed CXB) 観測モード: survey

Livetime(FoV込み): 33%

Optimistic model BG: 1x(Observed CXB) 観測モード: pointing

Livetime(FoV込み): 100%

Ia型超新星を 100 Mpc まで観測可能なら…

5年間の衛星実験で、 可視光と同時観測可能な

400個以上のSNが期待できる

13

ETCC衛星: 1 mCrab感度に到達見込み(2o PSF @ 1 MeV) 40 Mpc遠方のIa型SNから、

56Co(847, 1238 keV)を検出可能

SN Ia の爆発モデル診断(SD vs DD)が可能

全天MeVガンマ線探査による SN Iaの個性抑制(観測個数での打ち消し)が重要

爆発過程の共存比(SD & DD)を 20-30%程度の不定性で観測可能

SN Ia の検出限界距離(3s, 100日間): 70-110 Mpc (SD), 55-85 Mpc (DD) 衛星5年で400個以上のSNを可視光と同時検出

約40年に1天体 ↓

1年で約5天体へ

14

ETCC関連講演 19aAQ-11（水本）： ホウ素中性子捕獲ガンマ線イメージング 21aCD-07（岸本）： 低S/Nでのガンマ線偏光検出性能 21aCD-08（吉川）： 21aCD-09（中増）： 21aCD-10（谷森）： 気球での宇宙核ガンマ線イメージング

将来機への改良 TPCトリガー 新シンチレーター

ご清聴ありがとうございました。

Future sensitivity: T. Tanimori+, 2015, ApJ, 810, 28 DAQ system: T. Mizumoto+, 2015, NIM A, 800, 40 High BG test: Y. Matsuoka+, 2015, JINST, 10, C01053 15

Effective Area, PSF, BG flux, Tobs, DE Sensitivity

PSF @1MeV (50% containment)

SMILE-II 15o

SMILE-III 5o

Satellite 2o

BG flux Balloons (II, III)

S-I observed Satellite 2x CGB

A. Summa, …, K. Maeda, et al., A&A 554, A67 (2013)

20.1 days since explosion

SD

DD

100 keV

4 MeV

2 MeV

200 keV

500 keV

56Ni (t1/2 = 6.1 days) --> 56Co (77.2 days) --> 56Fe

812

1561 keV

480 270

158

56Ni

56Co 847

1038

1238 1771

2038

2598

3253 keV

750

0.7 MeV

特に 0.7-4.0 MeV バンドで明るいガンマ線ラインが多い 16

A. Summa, …, K. Maeda, et al., A&A 554, A67 (2013)

20.1 days

101.7 days 34.9 days

54.3 days

75.7 days

SD DD

100 keV

4.0 MeV

100 keV

4.0 MeV

0.7 MeV

0.7 MeV

17

Distance Distribution

Distance [Mpc]

# of SNe Mean Distance [Mpc]

0-20 4 14.0 20-40 23 31.9 40-60 63 51.3 0-60 90 44.7

56Ni generation Ambiguity

Viewing angle Ambiguity

56Ni generation

Vie

win

g an

gle

20 40 60 20 60

±20% ±30%

±20% ±30%

20 40 60

5年間の 発生期待値

18

19

SMILE-I type ETCC

30 cm-cubic Ar (1 atm), 1 R.L.

40 cm-cubic CF4 (3 atm), 3 R.L.

50 cm-cubic, CF4 (3 atm), 10 R.L.

有効面積

感度

視野 > 4 sr ターゲット Crab, Cyg X-1 (+偏光観測) 状態 検出器完成 高BG撮像O.K. 低S/N撮像O.K.

SMILE-III (極周回気球) (40 cm)3 ETCC x 2 --> ~80 cm2

GRB, 銀河面探査, CGB非等方性 SMILE衛星 (50 cm)3 ETCC x 4 --> ~240 cm2

1 mCrab 感度でのMeV天文確立

~1 m SMILE-II

Flight Model

(30 cm)3 ETCC

SMILE-II (米国1日気球) (30 cm)3 ETCC --> ~1-4 cm2

SD

50 days observation (50-100 days since SN)

DD Expected Event rate Expected Event rate

BG subtracted rate BG subtracted rate

1771 keV 2598

keV 3253 keV

19s

18s

5.9s

8.9s

6.2s

1771 keV 2598

keV 3253 keV

1 2 3 4 0.5 1 2 3 4 0.5

12s

11s

4.4s

7.7s

4.9s

847 keV

1238 keV

511 keV 847

keV 1238 keV

511 keV

~0.7 SNe/yr

20

PSF 2o (@1MeV)

PSF 2o (@1MeV)

E T C C ETCC

1 m

Observed typical tracks in TPC

Electron-Tracer (Gas TPC) Drift velocity

~6 cm/us

electron muon pair-creation candidate

shower candidate

30 cm

30 cm

21

1. SPD, Direction of scattering plane -> Event by event arrival direction

2. dE/dx, Energy deposit rate of particle -> Background rejection by particle identification

3. α, Angle between scattered gamma and recoil electron -> Background rejection by kinematics test

Three additional parameters

dE/dx Imaging of three 137Cs (662 keV)

No track info. With track info.

Electron-track info. brings both of efficient BG rejection & clear imaging

electron

scattered gamma

22

23

f

(x, y) q

General/True Imaging (measures q and f) Two directional angles

2D position

f(q, f) = x g(q, f) = y Transformation

Current MeV Gamma-ray Imaging

INTEGRAL-type COMPTEL-type

Electron- Tracking Compton Camera (ETCC)

True Imaging in MeV band