CTAで目指すガンマ線バースト
のサイエンス:(超)遠方宇宙
井上進 (京大理)
CTA PHYS work package: subtasks
GRB subtask in WP PHYS
Current mailing list members:
Asano, Katsuaki
O’Brien, Paul
Falcone, Abe
Raue, Martin
Granot, Jonathan (Yoni)
Ryde, Felix
Hinton, Jim
Tam, P. H. Thomas
Horns, Dieter
Teshima, Masahiro
Inoue, Susumu
Toma, Kenji
Inoue, Yoshiyuki
Torres, Diego
Ioka, Kunihito
Wagner, Stefan
Kakuwa, Jun
Wijers, Ralph
Lamanna, Giovanni
Yamazaki, Ryo
Markoff, Sera
Zech, Andreas
Murase, Kohta
23人中9人(task leader3人中1人)が日本人
ガンマ線バースト (GRB) 宇宙最大・最強・最速の爆発
宇宙最遠方の天体
long GRB (T>~2s):
大質量星崩壊時に超相対論的速度ジェット発生
ジェット内部から即時放射+外部衝撃波から多波長残光放射
adapted from Meszaros 01
中心駆動天体? ジェット形成機構? 粒子加速・放射機構?
異なる種族 (short GRB, T~<2s) の起源? 宇宙論的進化?
宇宙で最も謎めいた天体の一つ
GRB vs Crab
Gehrels+ 09
GRB vs Crab
Fermi観測結果
prompt
- 明るいGRBで
即時GeV放射
- MeVの延長
上
少なくとも
10-30 GeVまで
- GeV超過成分
ある場合も
Gehrels+ 09
- long (数100s)、
short (数s)
双方で
GRB vs Crab
Fermi観測結果
- 数ksまで
GeV残光放射
∝ t-1.2-t-1.5
afterglow (2.5 hr)
Gehrels+ 09
- 大半のGRBで
GeV即時+残
光
あると考えて
無矛盾
- しかし>GeVの
光子統計不充分
物理について
多くの点が謎
CTAによるGRB観測
1. 10 GeVに迫るエネルギー閾値 (<<現行IACT)
-> 宇宙背景放射光 (EBL) によるgg吸収を受けにくい
2. 高速指向性能:180deg/20sec for LST (MAGIC2と同等)
-> long GRBの即時放射中に観測開始
3. 莫大な有効面積:>[email protected] (Fermiの1万倍)
-> 圧倒的な光子統計、詳細なスペクトル・時間変動の情報
Fermi LAT GRB 080916C
>100
MeV
> 10 GeV photon
Fermi数発 ->
>1GeV
CTA 数万発!
Abdo+ 09
CTAによるGRB観測で目指すサイエンス
GRBの起源
- 放射体運動速度の確実な測定(内部gg吸収カットオフ)
- 即時放射機構、残光の物理の解明
Fermiとの同時観測
(多波長スペクトル・時間変動)
宇宙線の起源
- 最高エネルギー宇宙線・高エネルギーn生成の兆候
(陽子・原子核シンクトロトロン、カスケード成分…)
TA/Auger/JEM-EUSO, IceCube/KM3NeTとのシナジー
観測的宇宙論
- 遠方宇宙背景放射の精査(gg吸収カットオフ) -> 後述
- 銀河間弱磁場の精査(pair echo/halo=二次ガンマ線)
基礎物理学
- Lorentz不変性破れ、新粒子への制限…
gamma-ray absorption:
probe of diffuse radiation fields
g + g → e+ + eE e
threshold condition: E e (1-cos q )>2 me2c4
s peak
,,
=4 me2c4
Costamante et al 03
e.g. TeV + 1eV (IR)
100 GeV + 10 eV (UV)
blazar
probe of local IRB from
gg absorption in TeV blazars
Extragalactic Background Light
IACT
gVHE
gEBL
e+
e-
from M. Teshima
EBL constraints from Fermi
Abdo+ arXiv:1005.0996
highest energy photons from each source vs EBL models (t=3)
higher EBL models ruled out for z<4.3
cosmic star formation rate vs models
Yoshi Inoue+ in prep.
highly uncertain at high-z, especially in the reionization era
CTA observations of GRB 080916C at z=4.35
extended emission @1ks, 10 min exposure Franceschini
censored due to authoritarian policies
CTA observations of GRB 080916C at z=4.35
Gilmore EBL
extended emission @1ks, 10 min exposure
クエーサーの寄与も
censored due to authoritarian policies
スペクトル時間変動から内部吸収カットオフと区別
gg optical depth: comparison
Yoshi Inoue+, in prep.
gg optical depth: comparison
Yoshi Inoue+, in prep.
large differences at 10-100 GeV -> distinguish by GRB obs.
cosmic dawn: valuable info on early star form. & cosmic reion.
synergy with LOFAR, SKA, ALMA, JWST, Subaru/TMT, IXO…
GRB detection rate estimates
GRB alert rate
(instrument, z-dep.)
×
zenith angle range
(E-dep.)
×
EBL attenuation
(E, z-dep.)
× duty cycle ×
slewing+detection
efficiency
Swift or SVOM alert
E>20 GeV: 300/yr x0.95(z<5) x0.1(<25deg) x0.1 ~ 3/yr
E>50 GeV: 300/yr x0.3-0.7(z<1.5-3) x0.3(<45deg) x0.1
~ 3-6/yr
z>5: 300/yr x(0.05-0.1) x <0.3 x0.1 ~< 0.5-1/yr
prompt (tobs>100s) : ~1/2 of above
detailed evaluations: Kakuwa et al., in prep.
まとめ
CTAによるGRBのサイエンス
- GRBは宇宙で最も謎めいた天体の一つ
- CTAによる>10 GeVガンマ線観測で新境地開拓
Fermiに比べ有効面積>104倍
(が視野は1/100)
- 予想検出数は年間当たりGRB数発
がGRB毎の詳細なスペクトル・時間変動データ
- 多様なサイエンス:
GRBの起源、宇宙線の起源、観測的宇宙論、基礎物理学
- 観測的宇宙論に重要な貢献:
gg吸収から遠方UV背景放射の精査
(宇宙星+BH形成史、宇宙再電離・初代星)
- 日本がサイエンスを主導:
LST(大口径望遠鏡)チーム、MCグループと連携
ダウンロード

GRBと超遠方宇宙