PoGO+とXL-Caliburによる硬X線偏光観測...1 m-PoGOLite...

PoGO+とXL-Caliburによる硬X線偏光観測

高橋弘充（広島大学）

1

PoGO+: PI: Mark Pearce (スウェーデン王立工科大学）X(L)-Calibur: PI: Henric Krawczynski (ワシントン大学)

Weight (wo ballast) : ~2000 kg

(c) astro.psu.edu

Hard X-ray(>20 keV)

~40 km

2

-偏光測定（イメージ、タイミング、スペクトルとは異なる情報）=> パルサーやブラックホール、活動銀河核、ガンマ線バーストなどにおける

高エネルギー現象の研究で重要-しかしながら、X線・ガンマ線の偏光が検出された天体は、ガンマ線バースト、かに星雲（2.6/5.2 keV と 200 keV 以上）と Cyg X-1 (600 keV 以上)のみ

-他のエネルギー帯域、他の天体の偏光観測が必要不可欠PoGO+, X-Calibur, 「ひとみ」SGD, AstroSat, IXPE, XPP…

Ｘ線・ガンマ線偏光観測

Ｘ線

硬Ｘ線

ガンマ線

1970年代

PoGO+ (2013, 2016)

ひとみSGD (2015)

OSO-8

ガンマ線バースト観測用の小型検出器（GAP, POLAR）は除く

偏光結果を報告しているが、偏光観測に特化しておらず系統誤差が大きい

XPP計画

X(L)-Calibur(2018, 2021, 2022, …)

IXPE(2021 -)

INTEGRAL (2003 -)

AstroSat (2015 -)

現在2000

高エネルギー偏光観測の歴史と今後

日本＋スウェーデン元々アメリカのみ日本＋スウェーデンも参加

3

PMT

Fast plastic scintillator

Passive shield(Pb, Sn, Cu)

BGO

1 m

- PoGOLite ではコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出主検出部：プラスチック x 61ユニット、周囲にBGOシールド:30ユニット熱中性子シンチレータ：2ユニット

-検出器自身の系統誤差、大気中性子フラックスの異方性をキャンセルするため、観測中は検出器が6分で1回転する。

Gamma-ray

Polyethylene

偏光方位角と直交方向に多くのイベントが検出される

垂直方向に散乱されやすい

Top view

20-180 keVPoGO+偏光計（コリメータ型）

4

PMT

Fast plastic scintillator

Passive shield(Pb, Sn, Cu)

BGO

1 m

- PoGOLite ではコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出主検出部：プラスチック x 61ユニット、周囲にBGOシールド:30ユニット熱中性子シンチレータ：2ユニット

-検出器自身の系統誤差、大気中性子フラックスの異方性をキャンセルするため、観測中は検出器が6分で1回転する。

Gamma-ray

Polyethylene

偏光方位角と直交方向に多くのイベントが検出される

垂直方向に散乱されやすい

Top view

20-180 keVPoGO+偏光計（コリメータ型）

かに星雲、Cyg X-1を観測済み（パルサー星雲、ブラックホール連星）

1 Crabより暗い天体の観測は難しいこれ以上の感度向上は難しい

PoGO+の次のフライト計画は未定

5

6

~4m

PoGO+全体像（2016年フライト）~2トン

7

~4m

2016年・国際情勢により、ロシア上空は飛行できなかったため、カナダまで最高高度は約40 km

・7日間で北極圏を1/3周回（時速30km）

・観測天体かに星雲：7回、Cyg x-1：6回

PoGO+全体像（2016年フライト）~2トン

8

2016年・国際情勢により、ロシア上空は飛行できなかったため、カナダまで

・7日間で北極圏を1/3周回（時速30km）

・観測天体かに星雲：7回、Cyg x-1：6回

2016年フライトの軌跡（7日間）

9

SSC:スウェーデン宇宙公社

ゴンドラからの撮影

- X-Calibur でもコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出硬Ｘ線望遠鏡により集光 => 検出器はコンパクト・バックグラウンド低減主検出部：Beで散乱、CZT x 256ピクセル x 4面、周囲にCsIシールド最下面に CZT x 64ピクセルで（簡易）イメージング

-検出器自身の系統誤差をキャンセルするため、検出器が20秒で1回転する。

検出器の断面~3cm

20-80 keV

2018年：InFOCuS望遠鏡（NASA+日本）2021年以降：FFAST望遠鏡（日本）

焦点距離8-12 m

X-Calibur偏光計（集光型）

10

- X-Calibur でもコンプトン散乱を検出し、その散乱角の異方性から偏光を検出硬Ｘ線望遠鏡により集光 => 検出器はコンパクト・バックグラウンド低減主検出部：Beで散乱、CZT x 256ピクセル x 4面、周囲にCsIシールド最下面に CZT x 64ピクセルで（簡易）イメージング

-検出器自身の系統誤差をキャンセルするため、検出器が20秒で1回転する。

検出器の断面~3cm

20-80 keV

2018年：InFOCuS望遠鏡（NASA+日本）2021年以降：FFAST望遠鏡（日本）

焦点距離8-12 m

X-Calibur偏光計（集光型）

11

数100 mCrabの天体からも偏光検出

2018年X-Calibur全体像（~2トン）

12

13YouTube： X-Calibur Launch

X-Calibur放球@南極（2018/12/30）

14

2018年X-Caliburフライト履歴

放球：12/30 9:15AM (LT)

高度：40 kmに到達

観測天体：質量降着型パルサーGX 301-2, Vela X-1（南天）＃GX 301-2 は 600 mCrab

姿勢制御： 1秒角以下の高精度

着陸：1/2 11:40AM (LT)＃He漏れのため

データ解析（論文投稿中）次回フライトを目指す

Scott Battaion / CSBF

X-Calibur着陸後

今回：偏光計のみ回収 => 次回フライトへ利用来年：その他（望遠鏡、トラス）を回収 => 次回フライトはFFAST望遠鏡15

PoGO+とX-Caliburの観測結果

・Crab （かに星雲＋かにパルサー）・Cyg X-1 （ブラックホール連星）・GX 301-2 （質量降着型パルサー）

(c) ESA

(c) astro.psu.edu

17

2-hitイベント（偏光解析に利用）のライトカーブ@20-160 keV・赤：Crab指向中（92 ks）・黒：左右5°ずらしたバックグランド観測#15分おきに、天体バックグランド観測を行き来している

M. Chauvin et al. 2017

Date07/12 07/13 07/14 07/15 07/16 07/17 07/18 07/19

2-h

it ra

te (H

z)

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

On-source

Off-source

天体信号（この差）

Crab観測（ライトカーブ）

Crab指向中

バックグランド左右5°ずれ

18

・バックグランドが平坦ではない360°成分が卓越⇐検出器に下方から中性子バックグランド

・正味の天体信号：180°成分（偏光信号）のみで再現される（バックグランドを精度良く差し引けている）


偏光があると⇒コンプトン散乱すると散乱角に異方性が出る（180°成分）

正味の天体信号（＝左上ー左下）

Crab観測（モジュレーションカーブ）

19

・偏光度 20.9±5.0%・偏光方位角 131.3±6.8°⇒パルサー回転軸（ジェット方向）と一致⇒TeV電子がトーラス方向にそろった磁場によりシンクロトロン放射して硬X線

・パルス位相に応じた変化：統計不足


偏光方位角

偏光度

(c) astro.psu.edu

X線イメージ

Crab観測（偏光度、偏光方位角）

20

偏光方位角

偏光度

偏光方位角

偏光度

可視パルサーのみ

多波長との比較

21

偏光方位角

偏光度

偏光方位角

偏光度

X線([email protected], 5.2 keV)とほぼ同じ=> どうしてこんなに一致？？？

X線～硬X線可視パルサーのみ


22

Crab: 8.6 ksの観測 (60-160 keV)

S/N比が良いので短時間で偏光検出ができた

Hitomi collaboration+18

「ひとみ」軟ガンマ線検出器でも検出

23

Off-pulseの位相で、偏光度が変化？？？

Vadawale et al. 2017

AstroSat衛星の報告

24

優れている点

PoGO+とAstroSatの観測状況

25Off-pulseの位相で、偏光度が変化？？？


AstroSat衛星（100-380 keV）の報告


最小最大

偏光度：最大と最小の比較

（モジュレーションカーブ）

ほぼ一致1σで一致

最低

最大

偏光度：最大と最小の比較

28

PoGO+のデータは、AstroSatの傾向とは一致しない（Off-pulseでの偏光の変動は有意ではない）=> AstroSatは衛星なので、さらにデータを蓄積して検証中


PoGO+とAstroSatデータの同時解析

以下、個人的な考察

是非コメントをお願いします

シンプルなモデルのみエネルギー依存性を考慮した計算はない観測結果と比較できる理論計算をぜひ進めていただきたい

30

偏光方位角

偏光度

偏光方位角

偏光度

X線([email protected], 5.2 keV)とほぼ同じ=> どうしてこんなに一致？？？

X線～硬X線可視パルサーのみ


Weisskopf+2000

Outer edge~50”~1.5e18cm

~15”~0.45e18cm

Torus

PulsarTerminationshock

1.05e18cm=> With 0.5 c,

it takes 2.2 years to travel.

~1 c ~0.5 c

かに星雲のジオメトリ (assuming 2 kpc)

View along the equatorial plane

-終端衝撃波で e-/e+ はPeVまで加速され、その後はシンクロトロン冷却-高エネルギー粒子ほど、早くへたる-高エネルギー放射ほど、よりパルサー近傍の磁場構造を反映 OSO-8（X線）とPoGO+（硬X線）の結果を比較していく

31

X線イメージ(Chandra)

シンクロトロン冷却による寿命（寺澤先生講義）

Crabの仮定- magnetic strength B~300 uG- travel speed of 0.5 c (wisp obs.)

高エネルギー粒子ほど早くエネルギーを失う（寿命短い）

Synchrotron X-ray energy (keV): e

Particle energy (TeV): E

Life time (year)

Travel distance (1018 cm)

Can reach torus (>2.2 years)?

2.6 (OSO-8) 11 12 5.7 Yes

50 (PoGO+ median) 50 2.8 1.3 Just

20 (lower limit) 32 4.4 2.1 Yes

160 (upper limit) 90 1.5 0.7 No

Particles emitting X-ray (OSO-8)：十分にトーラスを満たしているはず(X線イメージでも、当然トーラスまで明るい）

Those of hard X-ray (PoGO+)：トーラスにギリギリ届くくらいのはず32

硬X線以上の高解像度な撮像はないので=> 放射領域を推定

33

偏光結果から分かったこと

(c) astro.psu.edu

X線イメージ

偏光（＝磁場）情報が、硬X線とX線でほぼ一致していた

トーラス（ドーナツ型）

パルサー粒子加速の現場

中心外側

粒子はほぼ光速で移動

赤道面

X線を放射する粒子：寿命~12年=> トーラスを満たしている

巻き上げられ乱れた構造硬X線： ~3年

=> 赤道面にしか存在しないより中心に近く整った構造

34


(c) astro.psu.edu

X線イメージ




中心外側

赤道面




磁場の乱れ具合X線イメージから柴田先生他 2003

35


(c) astro.psu.edu

X線イメージ




中心外側




赤道面

36


(c) astro.psu.edu

X線イメージ




中心外側




赤道面

パルサー風星雲の磁場構造は・トーラスでも案外崩れない？理論研究と比較していきたい・赤道面でも案外乱れている？（ので、コメントお願いします）

37

(1): ブラックホール連星 low/hard 状態のコロナ形状

38

コロナモデルの2モデル@Hard状態

a)広がったコロナ b)ランプポスト型コロナ

ブラックホール

降着円盤

コロナ

~Rg

Miniutti & Fabian (2004)Frontera et al. (2003)

(c) ESA

39



ブラックホール

降着円盤

コロナ

~Rg

Miniutti & Fabian (2004)Frontera et al. (2003)

(c) ESA

40

(無偏光)

偏光

(無偏光)

偏光

コロナが硬X線を放射赤： 1次直接観測される（ほぼ無偏光）青： 2次反射・散乱された放射 => 偏光する



PoGO+帯域

PoGO+帯域

41

(無偏光)

偏光

(無偏光)

偏光




PoGO+帯域

PoGO+帯域

相対論的な効果：弱い反射成分が少ない偏光度： a few %

偏光角：円盤表面に垂直(Schnittman & Krolik 2010)

相対論的な効果：強い反射成分が多い偏光度： ~15%

偏光角：円盤表面とはズレる(Dovciak et al. 2011)

PoGO+観測- 偏光度: ???%- 偏光角:円盤表面に垂直？それともズレている？

42

PoGO+観測結果（Cyg X-1）

観測されたモジュレーションカーブは平坦に近い偏光度： 4σ)

43

(無偏光)

偏光

(無偏光)

偏光




PoGO+帯域

PoGO+帯域





単純な「ランプポスト型コロナ」モデルはPoGO+の観測結果とは不一致

44

(無偏光)

偏光

(無偏光)

偏光




PoGO+帯域

PoGO+帯域





単純な「ランプポスト型コロナ」モデルはPoGO+の観測結果とは不一致

コロナのサイズや円盤の内縁半径

45

(2): ジェット（シンクロトロン）放射の寄与

(Chauvin et al. 2018)

46(Zdziarski et al. 2014)

ジェット放射？=> 磁場強度が平衡を

大きく上回る

非熱的なコロナ放射(ジェットは弱い）？=> 磁場強度は平衡程度

MeV放射の偏光度: >75% with INTEGRAL衛星 (検出器較正？)

MeVジェット（シンクロトロン）放射？@hard状態 of Cygnus X-1

(Laurent et al. 2011,Jourdain et al. 2012))

MeV放射

47(Zdziarski et al. 2014)

ジェット放射？=> 磁場強度が平衡を

大きく上回る

非熱的なコロナ放射(ジェットは弱い）？=> 磁場強度は平衡程度

MeV放射の偏光度: >75% with INTEGRAL衛星 (検出器較正？)

MeVジェット（シンクロトロン）放射？@hard状態 of Cygnus X-1

(Laurent et al. 2011,Jourdain et al. 2012))

MeV放射

ジェット放射：~1%@軟/硬X線

48

MeV帯域で、ジェット放射が支配的なモデル=> 軟/硬X線では、ジェット放射は1%の寄与

PoGO+よりも、2-3倍より高感度な観測が必要

PoGO+観測からの上限値@硬X線< 2% （ジェット放射のみ、INTEGRAL衛星と同じ偏光角を仮定）< 5~10% （コロナ放射の寄与も考慮した場合）

WUSTL

X-Calibur気球実験2018年12月、2021年…

硬X線望遠鏡により集光（20-80 keV）=> 質量降着型パルサー

活動銀河核（大質量ブラックホール）

P.S. Stokes Q/U 平面上で考察

PI: Henric Krawczynski (Washington U.)

PoGO+観測の偏光の上限値から制限

49

? ペンシル型 ?

? ファン型 ?

質量降着型パルサーの放射モデル

以下、個人的な考察

是非コメントをお願いします

シンプルなモデルのみライトカーブの変化も再現できていない観測結果と比較できる理論計算をぜひ進めていただきたい

Folded Light Curve (BeppoSAX)La Barbera+2005

Post-apastron

Periastron

Pre-periastron

Intermediate

Smallfraction

Largefraction

Folded Light Curve (BeppoSAX)La Barbera+2005

Post-apastron

Periastron

Pre-periastron

Intermediate

Smallfraction

Largefraction

軌道周期によってパルス波形が変化するパルスの振幅は、2つの間で異なる

Pencil / Fan beam model (light curve/polarization)

More accretion Column height becomes higher More fan-beam situation.

Shock at column top High-temperature electron near top Thermalized / lower-energy electron

from bottom

Low-energy photon (several keV): pencil-beam emission.

Higher-energy emission (>10 keV)by Compton up-scattering: Fan-beam emission.

(highest energy range: pencil beamfrom top surface?Or such forward-scattering does notcontribute for high-energy photons?)

Pencil beam Meszaros+1988

Polarization fraction (PF) is low,when flux is high. Difficult to detect.

set any constraints.

Pencil beam with 2 peaks & different amplitudes

Less solid angle=> Less flux

More solid angle=> More flux

Pencil beam

Fan beam Meszaros+1988

Polarization fraction (PF) is high,when flux is high. Can set some constraints.

With fan beam itself,it is difficult to introduceflux difference between 2 peaks.

Peaks appear whenmagnetic pole comes

Phase separation of 2 peaks:- Small gap:

magnetic pole goes the other sideonly short

- Large gap ~0.5 phase (GX 301-2 case):magnetic poles goes back/forth ~equallythis/the other side.

Only 1 peak:magnetic pole always exist only one side.





1

2

Fluxes at 1 and 2 are the same. To introduce any differencein the soft energy band,we need to consider other effect(e.g., absorption by accretion stream

column is not straight and toward stream).

Fan beam Fan beam with 2 peaks (same amplitude)

58

(2) CZT半導体検出器2018年2mm厚を0.8mm厚に薄くする => バックグラウンド 1/2.5低減

S/N比を10倍向上させ、スウェーデン/南極でのフライトを計画

次回フライトXL-Calibur（2021,2022, 2024, …）

(1) FFAST望遠鏡（すでに製作済み）を利用ひとみHXT望遠鏡と同性能 => 天体信号を5倍以上増やせる

59

XL-Caliburの準備状況

反射鏡・すべての反射鏡 (213 x 3 x 2枚) はインストール済み

アライメントバー・試作品(1/3)を置換するため、製作中・置換後にSPring-8の放射光で位置合わせ、較正実験（2020年）

Scott Battaion / CSBF

・偏光計：回収して動作チェック済み=> 次回フライトへ利用

その他（望遠鏡、トラス）は来年回収

・望遠鏡：次回フライトはFFAST望遠鏡（日本担当）

2018年着陸後

FFAST望遠鏡（「ひとみ」HXTと同等）

・NASAの提案が採択・日本側でも宇宙研の小規模プロジェクトに採択

2021年夏スウェーデンその後2022, 2024年に再フライト

（IXPE衛星とも同時観測）

60

硬X線偏光観測は、大気球を利用して観測が実施されている。

・PoGO+は日瑞の国際協力で、2016年にかに星雲とCyg X-1の観測を行った。・コリメータ型で、これ以上の感度向上は難しい。

・X(L)-Caliburは、日米欧の国際共同ミッションである。・硬Ｘ線望遠鏡で集光することにより、コンパクトな偏光計で低バックグラウンドで高感度な観測を実現する。

・2018年12月の南極フライトでは、偏光観測にとっては新しい天体種族（質量降着型パルサー）を観測した。

・フライトが3日間だったため、観測結果は上限値。

・次回フライトは、2021, 2022, 2024年にスウェーデンと南極から計画しており、FFAST望遠鏡を利用、CZT検出器を薄くすることで、S/N比を10倍向上させる。

・高エネルギー放射の偏光モデルはシンプルなものしかない。ぜひ理論研究も進めていただきたい。

まとめ

PoGO+とXL-Caliburによる硬X線偏光観測...1 m-PoGOLite...

Documents

Transcript of PoGO+とXL-Caliburによる硬X線偏光観測...1 m-PoGOLite...