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巨大バイナリブラックホールの X 線探査磯部直樹( 理化学研究所 )
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 1
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巨大バイナリブラックホール (BH) を攻める ( 個人的 ) 動機
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 2
恒星質量 BH(M < 10 M◎) 巨大 BH(M = 106 – 109 M◎)
合体(Ebisuzaki et al. 2001)
合体(Ebisuzaki et al. 2001)
合体の過程で、必ず ( 巨大 ) バイナリ BH になる
中質量 BH( 候補 ?)(ULX を含む )
(M = 数 10 – 1000 M◎)
M82 の X 線画像中質量 BH
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巨大バイナリ BH の観測的証拠 画像によるもの
二つの compact core をもつ AGN (eg, NGC6240; Komossa et al, 2003)
2 本の Jet を持つ AGN (eg, 3C 75; Owen et al, 1985) X-Shaped Radio Galaxies (eg, 3C 315; Merritt &
Ekers 2002) 運動を検出するもの
Jet core の 軌道運動 (eg, 3C 66B; Sudou et al. 2003) Jet の歳差運動
スペクトルのよるのも Double-peaked broad emission line
光度曲線によるもの 周期的な光度変動 (eg, OJ 287; Sillanpaa et al 1988)
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 3
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最有力候補 OJ 287
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 4
(Valtonen et al. 2006)
過去 100 年にわたる OJ 287 の可視光光度曲線 (V バンド )
(Sillanpaa et al. 1996)
1994-1997 年の活動期のOJ 287 の可視光光度曲線 (V バンド )
20001900
12 年周期1st フレア 2nd フレア
2005-2008 年に活動期なると予言多波長キャンペーン実行中
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歳差バイナリ BH 説 (Sillanpaa et al. 1988, Valtonen 2007)
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 5
M1 = 1.8 x 1010 M◎
M2 = 1.0 x 108 M◎
降着円盤
ジェット
視線方向
相対論的な 歳差と重力波放出の検証 が出来たと主張している (Valtonen et al. 2008)
2005 年フレア
2007 年
周期 12 年離心率 0.66歳差 39°/orbit
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対抗仮説 : disk-jet connection ?
1st フレア secondary BH が
primary BH の降着円盤を通過 降着円盤で熱的なフレア
2nd フレア 1st フレアに伴う降着率の変化でジェットが噴出 ジェットによる非熱的なフレア
(Valtaoja et al. 2000)2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 6
可視光電波偏光度偏光角活動期間
1st フレア 2nd フレア
歳差バイナリ BH 説では、可視光以外のふるまいを説明できない
増光増光なし減少変化なし数か月
増光増光増加変化半年X 線 必ずしも増光しない
(Idesawa et al. 1997)
観測なし多波長スペクトル ( 特に X 線 , γ 線 ) で区別できるはず
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OJ 287 の2nd フレアの多波長同時観測 中西 康一郎 , 濤崎 智佳 ( 国立天文台 ), 河野 孝太郎 , 島尻 芳人 , 福原 将之 ( 東京大学 ) 笹田 真人、植村 誠、新井 彰 ( 広島大学 ) 磯部 直樹 ( 理研 ), 瀬田 裕美 , 矢治 裕一 , 田代 信 ( 埼玉大 ) 林田 将明 (SLAC), 手嶋 政廣 (Max-Plank-
Institut fur Physik), 他 MAGIC team
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 7
電波 可視光X線 γ線
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OJ 287 の2nd フレアの多波長同時観測
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 8
野辺山ミリ波干渉計 (NMA)電波 (n = 86, 98 GHz)
かなた望遠鏡 @ 広島大学可視 , 赤外(J, V , Ks バンド )
「すざく」衛星X 線 (hn = 0.3 – 60 keV)
MAGIC 望遠鏡超高エネルギー γ 線(hn > 100 GeV)
瀬田 ( 埼玉大 M2) et al.
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2007 年の OJ 287 の光度曲線
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 9
野辺山 NMA電波 (100GH 帯 )
かなた@広大可視 (V バンド )
「すざく」X 線静穏時
(2007/4/10-12)2nd フレア
(2007/11/7-9)
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「すざく」による X 線スペクトル
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 10
静穏時 光子指数 G = 1.65±0.02 X 線強度 S1keV = 215±5 nJy
2nd フレア 光子指数 G = 1.50±0.01 X 線強度 S1keV = 404+6-5 nJy
HXD•12-27 keVの硬X線シグナルを検出 (OJ 287 では初めて )•折れ曲がりの気配がある。
XIS
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多波長スペクトル
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 11
シンクロトロン 逆コンプトン
( 過去の観測 , Isobe et al. 2001)
静穏期 2nd フレア
スペクトルがシフトした気配はない。各帯域で、単純に増光したように見える。
2007 年の観測
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2nd フレアの多波長スペクトルの解釈 電子スペクトル : Broken PL
N(g)∝ g–p (g < gb) g–(p+1) (g > gb)
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 12
シンクロトロン自己コンプトンモデル
都合よく解釈すると、ジェットが噴出して電子が増えた
ビーミング dpgmingbgmaxUe (erg/cm3)B (G)R (cm)
102.311080055005.2x10-4
0.482.3x1017
102.011080060001.1x10-3
0.482.3x1017
静穏時 2nd フレア
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1st フレアと 2nd フレアの比較
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 13
過去の 1st フレアの観測(Isobe et al. 2001)
2007 年の 2nd フレア (This work)
1st フレアと 2nd フレアは、多波長スペクトルが異なる高エネルギーにシフト
nSync ∝ge2 B δ 全体的に明るくなる
2nd フレア 静穏期
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OJ 287 2nd フレアの多波長観測のまとめ 巨大バイナリ BH 候補 OJ 287 が 2005-2007 年に 12年ぶりに活動期なった。 2007 年に起きた 2nd フレアおよびその直前の静穏期を、多波長同時観測した。 1st フレアと 2nd フレアは、スペクトルの振る舞いが違う
本当に歳差バイナリ BH なのか ? 巨大バイナリ BHモデルへの要請
周期 ( フレアの起こるタイミング ) の予想 光度曲線の形 多波長スペクトルの解釈 降着円盤とジェットの関係 ??
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 14
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全天X線監視装置 MAXI による巨大バイナリBH探査(N. Isobe with MAXI team)
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 15
(Hayasaki et al. 2008)
私の希望数年以内に巨大バイナリ BH を探査 /発見したい
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巨大バイナリ BH を”発見”するには ? OJ 287 のような、周期的な光度変動に注目
周期 : T = 0.9 年 (M/107Mo) (r/1000rS)3/2 (1+q)-1/2
(Schwarzschild 半径 rS = 2GM/c2, 質量比 q = m/M)
どの波長が良いか? これまでは、可視光・電波が主流 (eg, OJ287) BH, AGN, 降着円盤 , ジェットといえば X 線観測が重要
多数の AGN の X 線光度を監視したい 高感度の全天 X 線監視が欲しい
既存の装置 (RXTE ASM など ) は、感度が不十分2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 16
MAXI の登場
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全天 X 線監視装置 MAXI 国際宇宙ステーション (ISS)日本実験棟「きぼう」に搭載の全天 X 線観測装置 2009 年 5 にスペースシャトルで打ち上げ予定 二つの検出器
Gas Slit Camera (GSC) Solid-state Slit Camera (SSC)
これまでの全天 X 線監視装置の感度を一桁凌ぐ。 GSC : 1 mCrab/week RXTE ASM : 10 mCrab
1000 を超える X 線天体の X 線強度を監視できる。
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 17
ISS の進行方向
GSC
SSC
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MAXI の原理
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 18
スリット + コリメータ + 1次元位置検出型の X 線検出器 進行方向と天頂方向に視野
ISS の進行で全天をスキャン
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MAXI搭載検出器
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 19
検出器帯域視野位置分解能感度
大面積比例計数管2 - 30 keV1.5 x 160 degree0.1 degree1 mCrab / week
X 線 CCD( 国産 )0.5 - 10 keV1.5 x 80 degree0.1 degree2 mCrab / week
SSCGSC
Gas Slit Camera (GSC) Solid-state Slit Camera (GSC)
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MAXI による全天 X 線画像
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 20
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MAXI による全天 X 線画像
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 21
NGC 4388Cen ANGC 4507
Crab
NGC 6814
LMC
Cyg X-1
GRS 1915+105
3C 273
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MAXI の感度
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 22詳しくは、広井ポスターを参照
1 mCrab= 2.2 x 10-11
erg s-1 cm2
(2 - 10 keV) 距離 [ 光年 ]
X線強
度 (m
Crab
)
1日半年(混入限界 )
1週間
1 軌道 (90分 )従来の装置の感度
AGN
OJ 287
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MAXI は威力を発揮するか ? 巨大バイナリ BH の最有力候補
OJ 287 は、観測対象にはならない。 周期 12 年 > 運用期間 2 年
(5 年 ?) 暗い 0.1 – 0.5 mCrab
MAXI で探査できるパラメタ① 2 周期は押さえたい ⇒ 周期 < 1 年 (2.5 年 ?)② 周期 < 重力波放出による合体のタイムスケール③ 多くの AGN の光度を考えると、周期 < 1週間 は無理だろう2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 23
ここの領域
(早崎氏の MAXIチームへの講演から拝借 )
OJ 287
106M◎109 M
◎①
②
③
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MAXI は威力を発揮するか ? 必要な情報
AGN の何割が巨大バイナリBH か ?
巨大バイナリ BH の X 線光度曲線は ? Hayasaki et al. 2008など の理論計算はある。 発展途上と思われる。⇒ とにかく観測で決めよう
OJ 287 からスケールして、MAXI による光度曲線を計算してみる
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 24
OJ 2871/50 OJ 287 M1 / M◎周期 P活動期増光
1.8 x 1010
12 年~ 1 年5倍
3.6 x 108
90日1週間5倍
P ∝ M r 3/2 (1+q)-1/2
MAXI で得られる観測データを予想してみる。
OJ 287 の 1/50 程度の系なら、MAXI で周期性が探査できる
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MAXI は威力を発揮するか ? MAXI の重要な特徴
感度が高い。光度曲線を隙間なく測定できる。 ⇒周期性が探査できる。
巨大バイナリ BH を発見できる可能性がある ( と信じている )
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 25
3 日積分 従来の装置の感度
予想 X 線光度曲線1/50 OJ 287, 5 mCrab(1.1 x 10-10 erg s-1 cm2 in 2 –
10 keV)
90日
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MAXI は威力を発揮するか ? MAXI で実際に行うこと
多数の AGN のX線光度を監視 ライトカーブから周期性を探査する
どのくらいの数の AGN を、監視可能か ?
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 26
観測時間1 軌道1週間0.5 年
感度20 mCrab1 mCrab0.2 mCrab
AGN 数4 * ~ 50~ 1300
* NGC4388 Centaurs A NGC4507 NGC 6814 (M87)
(Integral Reference Catalog, 広井ポスター など )
Hayasaki et al. 2008 によると、 10倍の変動をする可能性も
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BH 研究への MAXI の貢献 巨大 BH の質量推定 time scale ∝ M (Hayashida et al. 1998)
BH transient の発見と速報 BH の状態遷移 QPO ジェット天体の長期モニタ etc.
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 27
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MAXI は今… 2008 年 8 月末 完成 2008 年 9 月 輸送前試験 2008 年 10 月 3 日 JAXA 筑波から発送 2008 年 10 月 23 日 成田発 2008 年 10 月 30 日 Kennedy Space Center(KSC) 到着 2008 年 11 月 KSC 射場試験 2008 年 12 月 MAXI 最終組み立て 2009 年 1 月 9 日 打ち上げ用パレットへ取り付け 2009 年 1 日 21 日現在 打ち上げを待つ
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 28
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MAXI の今後 2009 年 1-5 月 ソフトウェアなどの整備 2009 年 5 月打ち上げ予定 初期運用 /Calibration +3 か月 データ公開開始
約 1000 天体のライトカーブ/ スペクトル
全天 X 線画像 (1日 /1週間 /1か月 ) +1 年 on-demandデータ公開 +2 年 巨大バイナリ BH発見 ?
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 29
(http://maxi.riken.jp ; 未公開 )
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まとめ MAXI は、巨大バイナリ BH 探査に威力を発揮する可能性が高い。 ”周期性= 巨大バイナリ BH” とは限らない
( 候補 ) 多波長でのフォローアップ観測 巨大バイナリ BH の理論との連携
数年のうちに、日本から巨大バイナリ BH の発見を世界に発信したい。2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 30
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巨大バイナリ BH の観測的証拠(1) 画像によるもの
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 31
二つの compact core 二本のジェット X-shaped radio galaxies
NGC 6240 のX線画像 (Komossa et al, 2003)
900 pc
電波銀河 3C 75 の電波画像(Owen et al. 1985)
電波銀河 3C 315 の電波画像(Leahy et al. 1986)
25 kpc
ポスター講演 P9
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巨大バイナリ BH の観測的証拠(2) 運動を検出するもの
2009/1/21 巨大ブラックホール天文学 32
Jet Core の軌道運動 ?3C66B (Sudo et al. 2003)
Jet の歳差 / うねり4C73.18 (Roos et al. 1987) ?
周期 1.05±0.05 年距離 < 0.05 pc質量 < 5 x 1010 M◎
(ポスター講演 P)