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

Asano, KatsuakiFalcone, AbeGranot, Jonathan (Yoni)Hinton, JimHorns, DieterInoue, SusumuInoue, YoshiyukiIoka, KunihitoKakuwa, JunLamanna, GiovanniMarkoff, SeraMurase, Kohta

O’Brien, PaulRaue, MartinRyde, FelixTam, P. H. ThomasTeshima, MasahiroToma, KenjiTorres, DiegoWagner, StefanWijers, RalphYamazaki, RyoZech, Andreas

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23 人中 9人 (task leader3 人中 1人 ) が日本人

ガンマ線バースト (GRB)

adapted from Meszaros 01

宇宙最大・最強・最速の爆発

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

宇宙最遠方の天体

宇宙で最も謎めいた天体の一つ

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？

GRB vs Crab

Gehrels+ 09

GRB vs Crab

Gehrels+ 09

- 明るい GRBで 即時 GeV 放射

prompt

Fermi 観測結果

- 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

- long ( 数 100s) 、 short ( 数 s) 双方で

GRB vs Crab

Gehrels+ 09

afterglow (2.5 hr)

∝ t-1.2-t-1.5

Fermi 観測結果

- 数 ks まで GeV 残光放射

- 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

3. 莫大な有効面積： >104m2@30GeV (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

1. 10 GeV に迫るエネルギー閾値 (<< 現行 IACT)-> 宇宙背景放射光 (EBL) による吸収を受けにくい

Fermi LAT GRB 080916C

>1GeV

>100MeV

> 10 GeV photonFermi 数発 ->CTA 数万発！

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

Abdo+ 09

CTA による GRB 観測で目指すサイエンス

- 放射体運動速度の確実な測定（内部吸収カットオフ）- 即時放射機構、残光の物理の解明

　（多波長スペクトル・時間変動）

GRB の起源

- 最高エネルギー宇宙線・高エネルギー生成の兆候　（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

- 遠方宇宙背景放射の精査（吸収カットオフ）- 銀河間弱磁場の精査（ pair echo/halo= 二次ガンマ線）

- Lorentz 不変性破れ、新粒子への制限…

-> 後述

宇宙線の起源

Fermi との同時観測

観測的宇宙論

基礎物理学

gamma-ray absorption:probe of diffuse radiation fields

+ → e+ + e-

threshold condition: E (1-cos )>2 me2c4

E

e.g. TeV + 1eV (IR) 100 GeV + 10 eV (UV)

peak ,, =4 me2c4

probe of local IRB from absorption in TeV blazars

Costamante et al 03

e+

e-

EBLVHE

IACTExtragalactic Background Lightblazar

from M. Teshima

EBL constraints from Fermi Abdo+ arXiv:1005.0996

higher EBL models ruled out for z<4.3

highest energy photons from each source vs EBL models (=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 extended emission @1ks, 10 min exposure Gilmore EBL

スペクトル時間変動から内部吸収カットオフと区別

クエーサーの寄与も

censored due to authoritarian policies

optical depth: comparison Yoshi Inoue+, in prep.

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 estimatesGRB alert rate(instrument, z-dep.)

zenith angle range(E-dep.) duty cycle

Swift or SVOM alertE>20 GeV: 300/yr x0.95(z<5) x0.1(<25deg) x0.1 ~ 3/yr

z>5: 300/yr x(0.05-0.1) x <0.3 x0.1 ~< 0.5-1/yr

slewing+detectionefficiency

prompt (tobs>100s) : ~1/2 of above

×

× ×

EBL attenuation(E, z-dep.)

×

E>50 GeV: 300/yr x0.3-0.7(z<1.5-3) x0.3(<45deg) x0.1 ~ 3-6/yr

detailed evaluations: Kakuwa et al., in prep.

まとめ

- 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： 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

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