NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案

NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案

望月優子、玉川徹、寺田幸巧（理研）、岡田祐（東大理）、「系内核 γ 分科会」グループ

NeXT Science についてのミーティング東京大学、 11/7/03

NeXT Science Meeting Y. MOTIZUKI 11/7/03

2

アウトライン（２５分）イントロダクション　●核ガンマ線天文学　●元素合成過程の概観（一部） R プロセス元素合成の天体現象を特定する試

みの提案（検出できれば Nature 論文間違いなし！）

44Ti （チタン 44 ）元素合成の重要性と 1987A, Cas A, 銀河系サーベイ観測の提案


3

I. イントロダクション核 γ 線天文学の目的と利点

不安定核から放射される核 γ 線をとらえることで、元素合成プロセスを研究。

Ｘ線からわかる原子の情報とは違い、核種の情報が星間吸収などを受けないで、直接得られる。

Ｘ線スペクトル解析：安定核　　　　不安定核への拡張


4

核図表

安定核 256 (1998 の値 ) 天然に存在する核種 287 不安定核（理論予測） ~7000 既知核（実験）合成 2824 （ 20 世紀末）。うち、質量測定さ

れたもの ~1800 、半減期が測定されたもの ~2500 理研 RI ビームファクトリー (2004.7-) 新たに 1000 核種

äjê}ï\ 2000 (Z ÅÖ20)

Å® íÜê´éqêî, N (ìØà ëÃÇÃéÌófiÅj2

8

20

28

(40)

2

8

2050

H3

F31

Ne31

F16

Na35

Mg20 Mg37 Mg38

Al40 Al41 Al43Al22 Al23

Si22

P26

Cl31

Ar31

P27

S27

Ne34


5íÜê´éqêî

äjê}ï\Ç∆å≥ëfçáê¨ÇÃìπãÿ

r-âflíˆîöî≠ìIÇ»ìVëÃåªè€Ç…ÇÊÇ¡ÇƒìSÇÊÇËèdÇ¢å≥ëfÇ™çÏÇÁÇÍÇΩÅB

ê∂ê¨Ç≥ÇÍÇΩïsà¿íËäjÇ™ éıñΩÇ…âûÇ∂ÇƒÉxÅ[É^ïˆâÛ ÇµÇƒà¿íËÇ»å≥ëfÇ™èoóàÇÈÅB

çPêØíÜÇÃîRèƒâflíˆìSÇ‹Ç≈ÇÃå≥ëfÇ™çáê¨Ç≥ÇÍÇΩÅB

s-âflíˆê‘êFãêêØÇÃì‡ïîÇ≈ìSÇÊÇËèdÇ¢å≥ëfÇ™çÏÇÁÇÍÇΩÅB

ìVëRÇ…ë∂ç›Ç∑ÇÈäjéÌ

Ç±ÇÍÇ‹Ç≈Ç…î≠å©Ç≥ÇÍÇΩäjéÌ

å¥éqäjÇÃë∂ç›å¿äEÅióùò_ìIó\ëzÅj

ñÇñ@êîÅiÉ}ÉWÉbÉNÉiÉìÉoÅ[Åj

元素合成の道筋


6

観測量： Radioactivity

A= 4πd2 Fγ

Nλe t-λlabλA= N0=lab

age

t1/2 2lnλ =

Iγ


7

核 γ 線放出にかかわる物理1. 励起状態の原子核の、 de-excitation による核 γ 線2. 励起状態の原子核が、電子内部転換（核 γ 線放出

の競合過程）することによりあいた K 殻電子孔へ他の電子がおちるとき放出するＸ線 (R プロセスにかかわるような重い核では、数十 - 百 keV ）

3. 陽子過剰な不安定核のうち、軌道電子捕獲 (Q 値<511keV*2=1.02MeV) により崩壊するもので、あいた K 殻電子孔へ他の電子がおちるとき放出するＸ線（超新星で合成されるものが多い； 56Ni, 44Ti, 55Fe, 59Ni, 53Mn ...)


8

44Ti Decay

t1/2 ~ 60 y

60

e-capture (99.3 %)QEC=119 keV

78 keV

68 keV

Pure Electron-Capture-Decay!(First-forbidden 0+->0- EC)

4+

0+

t1/2 ~ 60 y

60

e-capture (99.3 %)QEC=119 keV

78 keV

68 keV

Pure Electron-Capture-Decay!(First-forbidden 0+→0- EC)

4+

0+


9

II. R- プロセス原子核に固有な核 γ 線をとらえて、 R- プロセス元素合成の天体現象を特定したい。


10

Anders & Grevesse 1989


11

人類が生きていくために必須な元素（ R プロセス元素）がどこでどのように生まれたか、わかっていない。


12

R プロセスが起きた天体現象がわかっていない。

A<140 A>140 Timescale Absolute

NS-NS ? ok choronology

ν- 1/30 wind ok entropy SNeII ok

10classical ok ok -5 M§

He shells ok too fewneutrons

amounts

of Th woks

constraint

AIC of WD ok?

Core-collapse SN

Core-collapse SN

Core-collapse SN


13

ダイナミカル α+R プロセス計算の一例 (1)KUTY mass & GT2+KUTY -rates(1)

Motizuki, Tachibana,& Goriely 2003, preliminary

4622 nuclides (Z=0-92)17 reactions included.


14

ダイナミカル α+R プロセス計算の一例 (2)

ベータ崩壊過程で放出される核 γ 線がとらえられれば！


15

R プロセス核 γ 検出可能性 from RX0852-4622参考文献： Qian, Vogel, & Wasserburg, ApJ 524 (1999), 213.

R-process nucleus

Lifetime(103 yr)

Eγ(keV) Iγ Fγ

226Ra(214Po)

2.31609 0.448 1.0

229Th(237Np)

10.659.5 0.359 1.2

249Cf(245Cm)

0.506388 0.660 2.1

251Cf(247Cm)

1.30 Cm K X-rays0.436 1.2*

126Sn 270 415, 666, 695

0.976, 0,999, 0.97

2.1-2.24.8-5.0****SN GC


16

使われている仮定など RX0852までの距離、 d=200pc を仮定。 SN rate: ３０年に一回の uniform production 見積りされている R プロセス核の合成量は 2 X 10-8 solar mass (126Sn: 5 X10-7 solar mass) を仮定。

　→ 原子核モデル、 SN rate の不定性、爆発エネルギーの不定性から、数 factor の増減は有意にあり得る。

■ 新しい SN が銀河系中心で起きた場合。


17

III. 44Ti の崩壊過程に伴う核 γ線をとらえて、重力崩壊型超新星爆発モデルへの制限をつけたい。参考文献： Motizuki & Kumagai, New Astronomy Reviews,

in press (2003); astro-ph/0311080


18

44Ti: 天文学的に極めて重要なアイソトープ

Hoffman et al. 1995

◆44Ti 合成量は、 Mass Cut の場所、爆発直前の星の構造（ ~2M より内側）、衝撃波背後の最高温度・密度に依存する。Mass cut: エジェクタとコンパクトオブジェクトとの境界

■ 核崩壊に伴う核ガンマ線が、銀河　系内の重力崩壊型超新星から観測　できる。■ 44Ti の初期合成量がわかれば、　重力崩壊型超新星爆発の元素合成　ダイナミクスに制限をられる。■ 半減期 ~60年→サーベイにより　銀河系の SN rate についての情報が　得られる。


19

αプロセス

Kumagai et al. 1991

Blast-shock

n -> 9Be(n)12C(n,γ)13C(n)16O( γ)20Ne ( γ)・・・ -> 40Ca ( γ)44Ti ・・・ -> 56Ni

6.6d 77dt1/2:

熊谷、野本；天文月報、 1991


20

44Ti 核ガンマ線検出と半減期測定競争

68

66

64

62

60

58

56

54

52

60 ± 1 (1σ)

RIKEN 2000 #

(1998-2000)Measurements† used two mixed sources* used the same source# 78, 68 used keV lines

44Ti from Cassiopeia A; Eγ=1.156MeV1994 by COMPTELon Compton Gamma-Ray Obs.(7+-1.7) 10-5 photons/cm2/s (Iyudin et al. 1994)

Cf. until 1997: 40y < t1/2 < 65y

核 γ 線検出が他分野（原子核実験）に影響を及ぼした顕著な例：


21

1987A:

Flux Prediction for day 6000(2003)

10-7

10-6

10-5

10-4

Flux [photons/s/cm

2 ]

3 4 5 6 7 8 9100

2 3 4 5 6 7 8 91000

2

Energy [keV]

NeXT HXI (105s)

NeXT SGD (105s)

INTEGRAL SPI (106s)

upper limit lower limit


22

Cas A: Coincidence between theory and observation?

Rauscher, Heger, Hoffman&Woosley 2002

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.04.03.53.02.52.01.5

44

-4M )

Ti Yield (10

§

Yield derived fromobserved values(No ionization)

A = 2.0Ionization

(10-5 -1s )-2 cmγ- ray photon Flux . 2000Schonfelder et alVink et al. 2001


23

まとめ R プロセス核に特有な核 γ 線をとらえる

試みは、 NeXT で挑戦する価値がある。（と思う）

44Ti(SN1987A, Cas A, surveys) については、 NeXT, (Astro-E2) で必ず面白いサイエンスができる。ぜひトライさせて頂きたい。


24

Discrepancy between theory and observation:

Crisis of SN explosion models??

Schonfelder et al. 2000

5

4

3

2

1

05.04.02.0 3.0

Iyudin et al. 97

Yield derived fromobserved values

WLW95 Type Ib44

-4M )

Ti Yield (10

§

(10-5 -1s )-2 cmγ- ray photon Flux

2002update in


25

Decay rate of highly ionized 44Ti

Atomic Electron Binding Energies

K electrons (1S1/2) ..... 6.6 keVLI electrons (2S1/2) ..... 1.6 keVLII electrons (2P1/2) ..... 1.6 keVLIII electrons (2P3/2) ..... 1.6 keV

*Theoretically calculated for non-relativistic electrons & point-charge nucleus (simple estimate)EB=(Z)2/(2n2) 511 keV

Ti4422

KL

1

2

4

λ λlabeff

44%

1

88%

94%100%22Ti

-Shells

3

K, LI 軌道からの電子捕獲を考えれば十分


26

Activity Change by Ionization: Linear Analysis

A N0λt-eλ=

AΔA =(1−λt) Δλλ

44Ti Ti21+ Ti20+

A/A -0.46 -0.1~50% 10%

Reduction!

AlwaysNegative

44Ti Ti21+ Ti20+

A/A +1.5 +0.32 factor 2.5 30% Enhance!

87a Cas A


27 Motizuki, Kumagai, &Nomoto 2003 in prep.

Bolometric light curve for SN 1987A

40

39

38

37

36

Log [Luminosity (erg/s)]

600050004000300020001000

days after explosion

“upper limit case”

Suntzeff ‘97 ‘02

Collision to the inner ring

for t1/2=60+-3y(3σ)& d=48.8 +- 3.3 kpc(3σ)

(0.82-2.3)10

CTIO

ESO

44Ti

( )


28

SN1987A; Titanic Collision on the Inner Ring in 2000

H-like, He-like ions of O, Ne, Mg, Si observed.

Te ~ 3 keV, Ionization timescale: nt ~ 6 1010 [cm-3 s] (Michael et al. 2002)

NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案

Documents

Transcript of NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案

NeXT を用いる 核ガンマ線天文学の提案

Documents

Transcript of NeXT を用いる 核ガンマ線天文学の提案

NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案

Transcript of NeXT を用いる核ガンマ線天文学の提案