FERMI Gamma-Ray Space Telescope Collaboration

(Large Area Telescope Collaboration)

Yasushi FukazawaHiroshima University

Elliott BloomSLAC

2011.3.7 日米委員会

日本広島大学 大杉節、深澤泰司、水野恒史、　　高橋弘充＋学生 8JAXA/ISAS 高橋忠幸、尾崎正伸、大野雅功、田中康之、奥村暁、 L.Stawarz ＋学生 5東京工業大学 河合誠之、谷津陽一、森井幹夫、 浅野勝晃＋学生 5名古屋大学：田島宏康早稲田大学 片岡淳、中森健之＋学生 2京都大学：窪秀利＋学生 1茨城大学：片桐秀明

米国SLACE.D. Bloom, R. CameronE. De Silva, T. Kamae, Y. Uchiyama R. Dubois, P. Drell, T. Tanaka

NASA/GSFCJ. McEnery, N. Gehrels

Stanford UniversityP. Michelson (Principal Investigator of LAT)

UCSCR.P. Johnson, W.B. Atowood, S. Ritz, H.W.F. Sadorozinski, Abe Seiden

NRL: N. Johson

参加研究機関

History1997 　 GLAST 参加（釜江、大杉）1998 　日米申請（代表：釜江）シリコン・ストリップ検出器（ SSD)R&D1999 　 LOI を NASA に提出、公表2001 　日本開発 SSD を使う Large Area Telescope 案、採択 ( 代表：大杉）2002 – 2004 Flight Model SSD 生産、品質検査、放射線耐性検査2005 – 2006 Large Area Telescope 組み立て、検査2007　　衛星組み込み、完成検査2008.6.11 Cape Canaveral 基地からデルタ II ロケットで打ち上げ成功 , 　　　　　　 衛星立ち上げ、 LAT 電源投入、較正2008.8.4 　観測開始2011.2 2 年半の運用と成果 : 　約 130 編の論文• Measurement of the cosmic ray e+ + e- spectrum from 20 GeV to 1 TeV with the Fermi

Large Area Telescope, Abdo, A. A. et al. 2009, Phys. Rev. Lett., 102, 181101: citation >450• A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects

Abdo, A. A. et al. 2009, Nature, 462, 331

Fermi-LAT の特徴＊ High Detection Efficiency ＊ no consumable element, long life＊ Large Field View 　広視野望遠鏡　＊常に空の 20% を見る FOV ～ 2 str　＊空のあらゆる部分を ３時間毎に３０分観測＊ Huge Energy Range ＆ unexplored band　　極めて広いエネルギー領域 & 初の観測領域　　 LAT: 20MeV ～　３００ GeV 以上＊ Fine Time Resolution & Short Dead Time　　 0.3 m ｓ ＜１００　 m ｓ

LAT Status & Performance

Number of layers =576 No. of channels/layer =1536 Total number of channels= 884,736

203 strips masked ( 打ち上げ時 )325(1 年後）　 122/year333(1.5 年後） 16/year382(2.5 年後 ) 49/year (0.04%)

Number of hot channels

Dead channels= 5/layer(0.35% , ～ 3000 channels)

Noise occupancy of the LAT

打ち上げ 現在

~6500 (0.65%)channels/trigger

Total read out Channels=884,736

- 1,451 sources; Ap. J. Suppl. 188 405 (2010)1451 sources （ > 5 sigma ）Now >2000 sources

宇宙線電子スペクトル

• 高エネルギー宇宙線電子 ( 数 100 GeV 以上 ) は近傍のソース ( 宇宙線加速器もしくは暗黒物質起源 ) をプローブする .• Fermi は , わずか 6 ヶ月で他のミッションを圧倒する超高統計・広帯域の電子陽電子スペクトルを取得• 陽子 background を落とすためのイベント選別には , 高エネルギー加速器実験で用いられる手法が活用されている .

• 同時期の PAMELA 宇宙線観測衛星のデータと合わせることで , 近傍の宇宙線加速源もしくは暗黒物質のモデルに強い制限をつける . 右図はその一例 . (Mass ~ 900 GeV)• 統計を上げ , 異方性を見ることで , 宇宙線加速源 / 暗黒物質シナリオの区別が可能と期待される .

フェルミ６ケ月観測結果（赤）

電子異方性など。。。。

Cosmic-Ray Electron Spectrum

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extension of analysis reported in Abdo, et al, Phys. Rev. Lett. 102, 181101 (2009) .

Accepted for publication in Physical Review D

7 GeV – 1 TeV

宇宙線電子陽電子の到来方向の異方性No-anisotropy map（ simulation ）

実データ sky map

Significance map

MonogemVela

FermiHESS

Monogem

Vela

CRE spectrum at Earth

Dipole AnisotropyFermi (3s UL)

もし近くに加速源があれば、その方向が強い60GeV-480GeV で、上限値 0.5-5%

今後、データが蓄積されていくと、さらに上限値が下がる。

All-sky map of simulated gamma ray signal from DM annihilation (Baltz

2006)

★ ダークマター satetllite矮小銀河やダークマターの小塊 を探査。探しやすい

銀河中心明るいが、天体や宇宙線からのガンマ線混入が大きいので、難しい

Milky Way Halo銀河面放射や背景放射との区別が難しい

★Spectral Lines天体からの寄与を考えなくても良い。 ★ 宇宙背景放射

天体からの放射との区別が必要

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フェルミ衛星によるダークマターからのガンマ線探査

★ 銀河団加速粒子からの放射との区別が必要

Dark matter constraints

for leptonic annihilation final states and particle masses > 200 GeV, γ-ray limits exclude large regions of parameter space that would give a good fit to recent anomalous Pamela & Fermi-LAT electron-positron measurements

May 2010

April 2010the isotropic diffuse gamma-ray emission is in good agreement with a power law, not showing any signature of a dominant contribution from dark matter sources in the energy range from 20 to 100 GeV. Absolute size and spectral shape of measured flux used to derive cross section limits on 3 types of generic dark matter candidates: annihilating into quarks, charged leptons and monochromatic photons. Derived limits also start to probe cross sections expected from thermally produced relics.

Gamma-ray flux upper limits, combined with improved determinations of dark matter density profiles in 8 dwarf galaxies, put limits on pair-annihilation cross section of WIMPs in several widely studied extensions of the standard model, including its supersymmetric extension. Able to rule out large parts of parameter space where thermal relic density is below the observed cosmological dark matter density and WIMPs (neutralinos here) are dominantly produced non-thermally, e.g., in models where supersymmetry breaking occurs via anomaly mediation. The gamma-ray limits also constrain some WIMP models proposed to explain the Fermi and PAMELA e+e− data, including low-mass wino-like neutralinos and models with TeV masses pair annihilating into muon–antimuon pairs.

March 2010

March 2010

Gamma-ray line flux upper limits from 30 to 200 GeV in the range 0.6–4.5 x109 cm-2 s-1, provide corresponding DM annihilation cross-section and decay lifetime limits.

min MQG

(GeV/c2)1016 1017 10181015 1.8x1015

Pulsar(Kaaret 99)

0.9x1016 1.8x1017 0.2x10184x1016

GRB(Ellis 06)

GRB(Boggs 04)

AGN(Biller 98)

AGN(Albert 08)

GRB080916C Planck mass

10191.5x1018 1.2x1019

MQG,1 > 1.60×1019 GeV/c2

GRB090510

1.6x1019

ある種の量子重力理論を棄却する今までのあらゆる観測で最も強い制限

ガンマ線バーストによる量子重力効果の制限

本年度は明るいバーストが発生せず

II quad.III quad.

予想していた宇宙線分布

宇宙線ハローサイズ 1,2kpc

予想よりも宇宙線は銀河系外側で多い

宇宙線ハローサイズ 10,15,20kpc

宇宙線ハローサイズ 4kpc

Gal.CenterSun

III quad.II quqd.

我々の銀河系内部の宇宙線強度分布

銀河系中心からの距離

ガンマ線放射率

Lγ ~ SFRa with a=1.4 +/- 0.3

(fit with Local Group only)

--- case of a=1.0

他の銀河の宇宙線強度の測定も進んできた星生成によって宇宙線が生成されて明るくガンマ線で輝く描像と一致。ただし、おおまかな相関が見つかったばかりで、パルサーの寄与や閉じ込め効率などの議論は今後。

星生成率

ガンマ線光度

ガンマ線 (LAT)

γ-ray photon index (LAT)

X-ray

optical-UV

可視偏光度

可視偏光面の角度（向き）

Near-Infrared

Radio

ガンマ線フレアとともに、可視偏光面の角度が回転（ 20 日で 208 度回転）

広島大学かなた望遠鏡

シンクロトロン放射は、磁場とほぼ垂直方向に偏光

クエーサーから、ガンマ線フレアに同期した可視偏光面回転の検出

ジェットの磁場構造の情報

新たなガンマ線 AGN: 電波ローブ (Cen A Lobe)

700kpc

月

ジェットの根元から TeV 電子が出ているとすると、 300kpc も走る前に、弱ってしまう。巨大な電波ローブ自体で加速されている（新たな加速機構の可能性）

電波 (WMAP) Fermi(GeV)

(注 ) ローブからの放射はビーミングしていない

これまで見つかった最も巨大な粒子加速源（数 100万光年の大きさ）

Nature January 14, 2010

Scott Ransom (NRAO), HEAD meeting talk, March 2010

多数のミリ秒パルサーの発見が続いている。ミリ秒パルサーは、重力波源として重要

Fermi began the year with recognition as one of the top 10 science breakthroughs of 2009

Breakthrough of the Year was the reconstruction of the 4.4-million-year-old Ardipithecus ramidus skeleton

Science, December 2009

2011 Bill Atwood, Peter Michelson, and the Fermi Gamma Ray Space Telescope LAT team

The 2011 Rossi Prize is awarded to Bill Atwood, Peter Michelson, and the Fermi Gamma Ray Space Telescope LAT team for enabling, through the development of the Large Area Telescope, new insights into neutron stars, supernova remnants, cosmic rays, binary systems, active galactic nuclei, and gamma-ray bursts.

2011 Rossi PrizeAmerican Astrophysical Society, High Energy Astrophysics Division

2011 年度計画• 全天サーベイ観測続行＋特異イベント自動指向• ISOC 運用（ LAT モニター、解析用データ）• ３極（米国、日本、ヨーロッパ）　　　　２４時間　特異現象監視体制

解析・物理• 3 年間観測、点源カタログ公表• DM 観測続行（銀河中心、近隣矮小銀河、銀河団）• 宇宙線の分布や加速源の探査• ガンマ線バースト、ブラックホールジェット、超新星残骸、他の

突発天体等の高エネルギー粒子の加速現場• Reconstruction のアップデート

２０１１年度所要金額• Common Fund （ ISOC 運用費） Full Member: $6.5k, Affiliated Member: $1.3k• Full member: 　　 15人 X 6.5k = $ 97.5k• Affiliated member: 8人 X 1.3k = $ 10.4k Total : $ 107.9k 　（ 917万円 @$1=\85 ）• 解析用 CPU+Disk: 197万合計　　 1114万円 (1000万円要求） 足りない分は、他費用で賄う• 旅費 Collaboration Meeting (SLAC/NASA) , Analysis Meetings(in US)　 　　 １ 7名分＝ 400万円

日本の貢献ＬＡＴ建設費 　５％人員　　　　 10％論文貢献 20％モニター　 5～30%

他の資金獲得状況（２０１１年度）獲得済み

申請中、あるいは申請予定ISAS/JAXA 　飛翔体による宇宙観測支援経費　　 500万円

ISAS フェルミ関係活動費、 LAT 運用経費、旅費科学研究費補助金　新学術領域　計画研究（研究代表者：内山） 4570万円

科学研究費補助金　基盤Ｂ （研究代表者：深沢）　 1050万円Ｘ線検出器開発と広島大でのフェルミ関係活動費（計算機、旅費）

SLAC ・宇宙研・名古屋大学のＸ線観測およびフェルミ関係活動費　　　　　　　　　　　　　　（計算機、旅費、ＰＤ雇用費）

科学研究費補助金　基盤Ｂ　（水野）　 170万円科学研究費補助金　若手Ｂ　（片桐）　 100万円科学研究費補助金　若手Ｂ　（大野） 80万年旅費、論文出版費、計算機

科学研究費補助金　基盤Ｓ （研究分担者：深沢）　 1260万円

長期計画・見通し　 2008.8 – 2013.8 第一期衛星運用・観測（５年）　 2009.8 　観測データの即時公開開始　 2011.2 　現在、 LAT ガンマ線望遠鏡は完ぺきな稼働　　観測成果論文は 80% 以上がフェルミ共同研究チーム　 2012 　　第一期運用成果をまとめ公表　　　　第二期運用観測の提案、評価と承認必要

　 2013.8 – 2018.8 第二期衛星運用・観測（予定）