Unveiling the mechanism of cosmic-ray supply and its timescale by supernova remnants with thermal X-ray and GeV gamma-ray observations

通过热X射线和GeV伽马射线观测揭示超新星遗迹的宇宙射线供应机制及其时间尺度

基本信息

批准号：
19J11069
负责人：
鈴木寛大
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

銀河宇宙線の起源は発見から100年以上経過した現在でも不明であり、宇宙物理学の最大の問題の１つである。近年、超新星残骸の衝撃波が加速源として最有力候補となっているが、加速された粒子が加速現場から解放されて宇宙線になれるか、という重要な問題が未解決のままだ。私は加速粒子の情報を観測データから抽出可能なほぼ全てである38個の超新星残骸に対し、加速された粒子自身（ガンマ線観測から）と加速環境（X線観測から）の情報とを初めて組み合わせ、宇宙線の加速から銀河系への供給までの描像を初めて明らかにした。最も特筆すべきは、加速された宇宙線粒子が1万年から10万年かけて徐々に宇宙空間に解放されていくことを明らかにし、さらに従来の想定を覆す描像、すなわち加速環境ごとに供給される宇宙線の最高エネルギーが3桁も異なることを示した。これらは銀河進化の理解にまで大きな変更を迫る成果である。この研究の過程では、距離やプラズマ体積の不定性のため現在まで不明であった超新星残骸の年齢推定の信頼性を初めて定量化することに成功した。私は信頼できる年齢推定が可能な系24個に着目し、うち年齢が2千年から40万年と広い範囲に分布する8個について、信頼できる年齢推定を初めて定量化した手法で行うことで、一般の系に用いられる年齢推定手法の較正を行った。結果、2種の年齢推定法とも、factor 4の範囲内で正しい年齢を示すことを明らかにした。この成果は超新星残骸や付随する中性子星のあらゆる研究に貢献する礎となると期待する。上記の観測的研究と並行して、将来の宇宙X線観測に向けたX線半導体センサの研究も実施した。空乏層が500 umと厚いCMOSセンサを用い、実験室測定とGeant4をベースにしたシミュレーションにより、センサのX線応答を模擬した天体観測シミュレータの開発に成功した。これは将来の衛星設計時に主幹をなすであろう。

银河宇宙射线的起源在被发现一百多年后仍然未知，并且仍然是天体物理学中最大的问题之一。近年来，超新星遗迹的冲击波已成为加速源的主要候选者，但一个重要的问题仍未得到解答：加速粒子是否可以从加速地点释放并成为宇宙射线。我第一次将38个超新星遗迹的加速粒子本身（来自伽马射线观测）和加速环境（来自X射线观测）的信息结合起来，这几乎是可以提取的所有有关加速粒子的信息。观测数据，首次揭示了宇宙射线如何加速并进入银河系的图片。最值得注意的是，它揭示了加速的宇宙射线粒子在10,000到100,000年的时间内逐渐释放到太空中，并且它们还提供了一个推翻传统假设的图景，即它们被提供给每个加速环境。发射的宇宙射线的最高能量相差三个数量级。这些结果迫使我们对星系演化的理解发生重大变化。在这项研究过程中，我们首次成功量化了超新星遗迹年龄估计的可靠性，由于距离和等离子体体积的不确定性，这一点此前一直是未知的。我重点研究了 24 个可以进行可靠年龄估计的系统，并通过使用第一种定量方法可靠地估计了其中 8 个系统的年龄，其年龄范围从 2,000 到 400,000 年，我们校准了一般使用的年龄估计方法系统。结果表明，两种年龄估计方法的正确年龄均在因子 4 范围内。我们希望这一结果能够为超新星遗迹和相关中子星的各种研究做出贡献。在上述观测研究的同时，我们还进行了X射线半导体传感器的研究，以用于未来的宇宙X射线观测。使用耗尽层厚为500 um的CMOS传感器，我们基于Geant4通过实验室测量和模拟，成功开发了天文观测模拟器，可以模拟传感器的X射线响应。这将在未来的卫星设计中发挥核心作用。