[論文レビュー] ASTRO-H White Paper - Broad-band Spectroscopy and Polarimetry

P. Coppi, Ł. Stawarz+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、ジェット付きAGN、新星における非熱的放射、未解明の高エネルギーX線源といった高エネルギー天体物理学的現象の理解を進めるために、ASTRO-Hのバンド幅広いX線分光および偏光測定能力を提案している。0.3 keVから80 keVまでの精密な分光的特徴付けを可能にすることで、初期宇宙における源のエネルギー状態、粒子加速、源の集団に関する主要な不確実性を解消する。

ABSTRACT

The broad energy range spanned by ASTRO-H instruments, from ~0.3 to 600 keV, with its high spectral resolution calorimeter and sensitive hard X-ray imaging, offers unique opportunities to study black holes and their environments. The ability to measure polarization is particularly novel, with potential sources including blazars, Galactic pulsars and X-ray binaries. In this White Paper, we present an overview of the synergistic instrumental capabilities and the improvements over prior missions. We also show how ASTRO-H fits into the multi-wavelength landscape. We present in more detail examples and simulations of key science ASTRO-H can achieve in a typical 100 ksec observation when data from all four instruments are combined. Specifically, we consider observations of black-hole source (Cyg X-1 and GRS 1915+105), blazars (Mrk 421 and Mrk 501), a quasar (3C 273), radio galaxies (Centaurus A and 3C 120), and active galaxies with a strong starburst (Circinus and NGC 4945). We will also address possible new discoveries expected from ASTRO-H.

研究の動機と目的

• z > 3の非対向型で電波が強いAGNの不足を解消するため、バンド幅広いX線分光を用いて高赤方偏移ブルーズラの特徴付けを行う。
• GeVガンマ線放射と関連する硬X線放射を検出することで、新星衝撃波における非熱的粒子加速を調査する。
• ASTRO-Hの高エネルギー機器を用いて、未解明の硬X線／ソフトガンマ線源を特定・特徴付ける。
• 特に高Eddington率で降着している源のエネルギー状態とスペクトル的性質を改善した制約を求める。
• 同時に高エネルギー分光および硬X線感度を備えた高分解能分光測定を可能にすることで、一時的源における熱的および非熱的X線放射の精密測定を実現する。

提案手法

• 0.3–12 keVの範囲で高分解能・高スループットなX線分光測定を実現するASTRO-HのX線分光器（SXS）を活用する。
• 80 keVまで感度を拡張することで、非熱的放射成分のバンド幅広いスペクトル的カバーを可能にするハードX線イメージャー（HXI）を採用する。
• 20–60 keV帯における高エネルギー応答を提供し、硬X線およびソフトガンマ線放射を検出する上で不可欠なソフトガンマ線検出器（SGD）を適用する。
• NuSTAR やFermiといった過去のミッションと同等またはそれを上回る感度曲線を得るため、100 ksの深宇宙観測を実施する。
• HXIおよびSGDの応答を含む多波長データを用いて、高赤方偏移ブルーズラのバンド幅広いスペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化する。
• スペクトルフィッティングと偏光測定を組み合わせることで、ジェット、降着円盤、散乱領域からの放射成分を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z > 3におけるジェット付きAGNの真の集団は何か？ そして、それらのスペクトル的・全放射性性質は低赤方偏移対応源と比べてどう異なるか？
• RQ2 新星衝撃波が電子を非熱的エネルギーに加速できる程度はどの程度か？ その証拠として、硬X線およびGeVガンマ線放射が観測されるか？
• RQ3 Swift-BAT、COMPTEL、INTEGRALが検出した未解明の硬X線／ソフトガンマ線源のスペクトル的および時間的性質は何か？
• RQ4 高赤方偏移ブルーズラのX線スペクトルは、相対論的ジェットのバルクローレンツ因子および放射効率をどの程度制約するか？
• RQ5 ASTRO-Hは、新星に非熱的硬X線成分を検出し、粒子加速の直接的証拠を提供できるか？

主な発見

• z > 2.345の高赤方偏移ブルーズラ、例えば2149–306は、平坦な硬X線スペクトル（Γ < 2）を示し、多数の放射エネルギーをMeV周辺で放出するため、バンド幅広いX線研究に最適な標的である。
• ASTRO-HのHXIおよびSGD機器は、100 ks露光においてNuSTARと同等またはそれを上回る感度曲線を達成すると予想され、高エネルギー源の精密なスペクトルフィッティングが可能になる。
• z > 3における非対向型で電波が強いAGNの著しい不足は、ジェットのバルクローレンツ因子が低いか、サンプルの不完全性によるものであり、ASTRO-Hの詳細なスペクトル解析により解明が可能である。
• Suzaku HXD/PINによる観測で、非熱的硬X線放射の兆候がわずかに確認されたのはV2491 Cygの1例にとどまり、より深い同時X線およびガンマ線観測の必要性が浮き彫りになった。
• ASTRO-HのSXSとHXIの組み合わせにより、同時に高分解能の熱的X線分光測定と硬X線連続スペクトル測定が可能となり、新星衝撃波物理学の完全な特徴付けが可能になる。
• ASTRO-Hの0.3 keVから80 keVまでのバンド幅広い応答により、未解明の硬X線源の特定およびスペクトル的特徴付けが可能となり、新たな高エネルギー放射体のクラスの可能性も示唆される。