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回転ブラックホール近傍における高エネルギー粒子衝突とエネルギー引き抜き過程

Research Project

Project/Area Number 18J10275
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
Research InstitutionKyoto University (2019)
Rikkyo University (2018)

Principal Investigator

小笠原 康太  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords一般相対性理論 / ブラックホール / 一般相対論 / BTZ時空
Outline of Annual Research Achievements

年次計画2年目の「高エネルギー粒子の脱出確率及び観測への示唆」の研究に取り組んだ.本年度中に電磁波観測によって,ブラックホールの作る影(シャドウ)の撮像が初成功したこともあり,当初の計画に加えて,より実際の観測を意識した解析も行った.
以前,Kerr時空の赤道面内に限定した脱出確率の評価手法を発展させ,空間3次元的な粒子の脱出確率の解析を行った.状況設定としては,(i)数理的な側面に着目した,Kerr-Newman時空での解析,(ii)宇宙物理学的に(実際の観測に)重要となる,最内接安定円軌道(ISCO)からの脱出,の2通りの解析を行った.
(i)Kerr-Newman時空は,質量・角運動量(スピン)・電荷の3つのパラメータをもつブラックホール時空であり,スピンと電荷にはある上限値が存在する.我々は脱出確率に対するこれら2つのパラメータ依存性を解析し,時空が臨界(extremal)かつ規格化されたスピンが1/2以上の場合,地平面のごく近傍からでも約30%の確率で粒子が脱出できることを明らかにした.また,スピンの増加に伴い確率も増加することがわかった.(ii)のISCO軌道からの脱出も同様に,スピンの増加に伴い確率が増加することが示された.宇宙物理学的なブラックホールのスピンには,0.998という理論的上限値が存在し,この上限値での脱出確率は約59%であった.さらに脱出光の赤方偏移を解析したところ,ISCO軌道から前方に放射された光は,遠方で青方偏移していることが明らかになった.これは,ISCO軌道にある光源のドップラー効果,いわゆる相対論的ビーミング効果であり,高い脱出確率とビーミング効果の関連性を明らかにした結果となった.これらの結果は,仮にブラックホール近傍からの情報を得られたとすると,そのブラックホールは非常に高速回転している可能性が高いことを示している.

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Escape probability of a photon emitted near the black hole horizon2020

    • Author(s)
      Kota Ogasawara, Takahisa Igata, Tomohiro Harada, Umpei Miyamoto
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 101 Issue: 4 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1103/physrevd.101.044023

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Observability of the innermost stable circular orbit in a near-extremal Kerr black hole2020

    • Author(s)
      Takahisa Igata, Keisuke Nakashi, Kota Ogasawara
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 101 Issue: 4 Pages: 044044-044044

    • DOI

      10.1103/physrevd.101.044044

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of the self-gravity of shells on a high energy collision in a rotating Banados-Teitelboim-Zanelli spacetime2019

    • Author(s)
      Ogasawara Kota、Tsukamoto Naoki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 99 Issue: 2

    • DOI

      10.1103/physrevd.99.024016

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 地平面近傍からの光の脱出確率2020

    • Author(s)
      小笠原康太,伊形尚久,原田知広,宮本雲平
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 重力レンズにおける宇宙項の影響2019

    • Author(s)
      小笠原康太,山田慧生
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Escape probability of a photon emitted near the black hole horizon2019

    • Author(s)
      Kota Ogasawara
    • Organizer
      The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] シェル衝突 in 5D2019

    • Author(s)
      小笠原康太
    • Organizer
      第21回特異点研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突Penrose過程と粒子の脱出確率2019

    • Author(s)
      小笠原康太, 原田知広, 宮本雲平, 伊形尚久
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会(2019年)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] シェルを用いたBSW効果について2018

    • Author(s)
      小笠原康太, 塚本直樹
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会(2018年)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Collision of two dust thin shells in the BTZ spacetime2018

    • Author(s)
      Kota Ogasawara
    • Organizer
      The 28th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 衝突Penrose過程と粒子の脱出確率2018

    • Author(s)
      小笠原康太
    • Organizer
      第31回理論懇シンポジウム
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突Penrose過程と粒子の脱出確率2018

    • Author(s)
      小笠原康太
    • Organizer
      第20回特異点研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突Penrose過程と粒子の脱出確率2018

    • Author(s)
      小笠原康太
    • Organizer
      第3回若手による重力・宇宙論研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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