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 keV

Green: 3 – 5 keV

Blue: 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 Kβ Ni 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

x y z

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=1

13.6eV

n~25

n=1

n=2 6.7keV 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: 6637eV Y: 6668eV

X:6682eV W: 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

x y

z

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

z w

w

z

Hi res CCD

Hi res CCD

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

6.9

keV輝線強度

/6.7

keV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

.9k

eV)/

I(6.7

keV

)

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？