Testing General Relativity in the Strong Gravity of a Massive Black Hole

• Project/Area Number: 19H01900
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Daido University
• Principal Investigator: 斉田 浩見 大同大学, 教養部, 教授 (80367648)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 真聡 愛知教育大学, 教育学部, 教授 (30242895) ; 孝森 洋介 和歌山工業高等専門学校, 総合教育科, 准教授 (30613153)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 一般相対性理論 / パラメータ化ポストニュートン形式 / 銀河系中心巨大ブラックホール / すばる望遠鏡 / 重力理論の探査 / 銀河系中心ブラックホール / 重力理論の検証 / 重力理論 / ブラックホール / 銀河系中心 / 赤外線観測 / 重力ドップラー効果

Outline of Research at the Start

一般相対論が重力を正しく記述するかどうか、巨大ブラックホール（BH）の重力では検証されていない。その検証のため、銀河系中心の巨大BHを周回する星（S0-2,S24という二つ）に注目する。星S0-2,S24は巨大BHの重力によって運動するので、それらの運動が一般相対論の予測と合致するかを調べれば、巨大BHの重力が一般相対論で記述できるかの検証になる。そこで我々は、すばる望遠鏡による星S0-2の観測を2014年から続け、2018年には一般相対論効果の兆候を見出した。本研究は、星S0-2と（2021年に開始予定の）S24測定データに基づき、銀河系中心巨大BHの重力における一般相対論の検証を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2022年度の研究進捗は次の通りだった。
(1) 銀河系中心ブラックホール Sgr A* を公転する星から届く光に生じる重力レンズ効果の計算式に不足があることが判明した。具体的には、時空計量を Parametrized-Post-Newton 展開した際に、星から観測者に届く光の測地線方程式に現れる Post-Minkowski 効果の1次まで現在の観測データで測定できる可能性があることに気づいた。この不足を補うため、星から届く光の測地線方程式を解きなおし、Post-Minkowski展開の1次までの解析解を導いた。
(2) 上記(1)の解析解を加えた理論予測をおこない、ひとまずカイ二乗法による、理論予測と観測データの統計的適合度を計算した。その結果、予想に反して、Sgr A*の重力場を記述する時空計量として Schwarzshild 計量（一般相対論の真空ブラックホール時空）ではない可能性が得られた。カイ二乗法では統計的有意性が得られなかったが、仮にこれが事実なら大きな発見の可能性が考えられる。
(3) 理論予測と観測データの統計的適合度の数値計算コード（階層ベイズ推定法）開発のための研究補助員（他大学の大学院生）の協力を得て、コード開発を開始した。まだ完成していない。なお、この研究補助員は、前年度の科研費（繰越）で雇った補助員である。
(4) Sgr A*周辺に暗黒物質が存在する状況に対応する時空計量（アインシュタイン方程式）における、星の運動の特徴（近点移動など）を解析的に調べた。
(5) 次世代望遠鏡（TMT）について、その建設計画の進捗状況について情報収集を行った。また、当該望遠鏡の観測精度でよりSgr A*近傍の観測に近づく場合を想定し、BH近傍の磁場環境に関する研究動向も調査した。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

前年度（2021年度）の途中で、同時雇用していた研究員が急遽、民間企業に就職して遅れが生じていた。
そして今年度（2022年度）に、研究員の代わりとして、研究補助員（他大学の大学院生）の協力を得られたが、その研究補助員に本研究の基礎事項を習得してもらうための時間も必要だった。さらに、研究補助員がコロナ感染して、しばらく後遺症もみられたことから、前年度よりも遅れの幅が大きくなった。そこで、遅れている、と評価した。

Strategy for Future Research Activity

理論予測と観測データの統計的適合度の計算コード開発に必要な専門知識をもった研究補助員は欠かせない。今後も、研究補助員の助けを借りつつ、数値計算コード開発を進めていく。
なお、Sgr A*周辺の暗黒物質の影響も考慮した時空計量とその特徴の計算と、次世代望遠鏡の活用の検討も、続けていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, Los Angels(米国)
• [Journal Article] Periapsis shifts in dark matter distribution with a dense core (2022)
  • Author(s): Takahisa Igata, Yohsuke Takamori
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 12 Pages: 124029-124029
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.124029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Implications from the Velocity Profile of the M87 Jet: A Possibility of a Slowly Rotating Black Hole Magnetosphere (2022)
  • Author(s): Kino Motoki、Takahashi Masaaki、Kawashima Tomohisa、Park Jongho、Hada Kazuhiro、Ro Hyunwook、Cui Yuzhu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 939 Issue: 2 Pages: 83-83
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8c2f
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Testing the non-circularity of the spacetime around Sagittarius A* with orbiting pulsars (2022)
  • Author(s): Takamori Yohsuke、Naruko Atsushi、Sakurai Yusuke、Takahashi Keitaro、Yamauchi Daisuke、Yoo Chul-Moon
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 未定 Issue: Supplement_1 Pages: S217-S231
  • DOI: 10.1093/pasj/psac003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alfvenic superradiance for a monopole magnetosphere around a Kerr black hole (2022)
  • Author(s): Noda Sousuke、Nambu Yasusada、Takahashi Masaaki、Tsukamoto Takuma
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.064018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relativistic jet acceleration region in a black hole magnetosphere (2021)
  • Author(s): Takahashi Masaaki、Kino Motoki、Pu Hung-Yi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.103004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detecting General Relativistic Effect of a Star Orbiting Sgr A* using Subaru Telescope (2021)
  • Author(s): 斉田浩見、西山正吾、すばる望遠鏡プロポーザル構成員
  • Journal Title: ASP Conference Series: Proceedings of a workshop, New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 265-267
• [Journal Article] Testing Fundamental Physics With Stellar Orbits at the Galactic Center (2021)
  • Author(s): Do, T, Hees, A, Ghez, A, Martinez, G. D, Chu, D. S, Jia, S, Sakai, S, Gautam, J. R. Lu, A. K, O'Neil, K. K, Becklin, E. E, Morris, M. R, Matthews, K, Nishiyama, S, Campbell, R, Chappell, S, Chen, Zhuo, Ciurlo, A, Witzel, A, Gallego-Cano, E, Kerzendorf, W. E, Lyke, J. E, Naoz, S, Saida, H, Schodel, R, Takahashi, M, (+4)
  • Journal Title: ASP Conference Series: Proceedings of a workshop, New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 249-254
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] 天の川銀河中心の巨大ブラックホール候補天体と重力理論の探査 (2021)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 76 Pages: 705-713
  • NAID: 130008113818
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Constraints on the dark mass distribution surrounding Sgr A*: simple chi-squared analysis for the redshift of photons from orbiting stars (2020)
  • Author(s): Takamori, Y., Nishiyama, S., Ohgami, T., Saida, H., Saitou R., Takahashi, M.
  • Journal Title: eprint arXiv:2006.06219 Volume: gr-qc
  • Open Access
• [Journal Article] Search for a Variation of the Fine Structure Constant around the Supermassive Black Hole in Our Galactic Center (2020)
  • Author(s): Hees A.、Do T.、Roberts B.M.、Ghez A.M.、Nishiyama S.、Bentley R.O.、Gautam A.K.、Jia S.、Kara T.、Lu J.R.、Saida H.、Sakai S.、Takahashi M.、Takamori Y.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 8 Pages: 081101-081101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.081101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gravitational deflection angle of light: Definition by an observer and its application to an asymptotically nonflat spacetime (2020)
  • Author(s): Rio Saitou, Hiromi Saida
  • Journal Title: arXiv.org e-prints Volume: arXiv:2001.03290
• [Journal Article] A significant feature in the general relativistic time evolution of the redshift of photons coming from a star orbiting Sgr?A* (2019)
  • Author(s): Saida Hiromi、Nishiyama Shogo、Ohgami Takayuki、Takamori Yohsuke、Takahashi Masaaki、Minowa Yosuke、Najarro Francisco、Hamano Satoshi、Omiya Masashi、Iwamatsu Atsushi、Takahashi Mizuki、Gorin Haruka、Kara Tomohiro、Koyama Akinori、Ohashi Yosuke、Tamura Motohide、Nagatomo Schun、Zenko Tetsuya、Nagata Tetsuya
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 71 Issue: 6 Pages: 120-120
  • DOI: 10.1093/pasj/psz111
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic Center supermassive black hole (2019)
  • Author(s): Do, T.、Hees, A.、Ghez, A.、Martinez, G. D.、....(21)... 、Takahashi, M.、...(3)
  • Journal Title: Science Volume: 365 Issue: 6454 Pages: 664-668
  • DOI: 10.1126/science.aav8137
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Null geodesics and repulsive behavior of gravity in $(2+1)$D massive gravity (2019)
  • Author(s): Nakashi Keisuke、Kobayashi Shinpei、Ueda Shu、Saida Hiromi
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2019 Issue: 7
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The structure of magnetically dominated energy-extracting black hole magnetospheres: Dependencies on field line angular velocity (2019)
  • Author(s): Thoelecke Kevin、Takahashi Masaaki、Tsuruta Sachiko
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2019 Issue: 9
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz097
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河系中心でのBH時空のPPNテスト：chi^2 fitting (SchwarzschildやKerrではない可能性) (2023)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 質量分布がつくる非 Schwarzschild ポテンシャル中の試験粒子の軌道解析 (2023)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2023
• [Presentation] ブラックホール磁気圏のプラズマ源について (2023)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2023
• [Presentation] On the Parametrized Post-Newtonian Test of GR at Galactic Center Massive BH Sgr A* (2022)
  • Author(s): Hiromi Saida
  • Organizer: 23rd International Conference on General Relativity and Gravitation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールによる重力理論の探査 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
  • Invited
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホール近傍の晩期型星の起源の研究 (2022)
  • Author(s): 西山省吾、唐朋央、斉田浩見、孝森洋介、高橋真聡、大神隆幸、市川幸平、長田哲也
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] Sgr A*を周回する星の観測データによる重力理論の探査 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 天文学におけるデータ科学的方法
• [Presentation] 銀河系中心ブラックホールの重力場による重力理論の検証 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 特異点研究会2022
• [Presentation] 動径圧力をもたない相対論的静的球解の構成とテスト粒子の円軌道の解析 (2022)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Black Hole force-free magnetosphere and Beltrami magnetic field (2022)
  • Author(s): Takahashi Masaaki
  • Organizer: OCAMI Joint Usage/Research Space-time topology and geometry with a focus on vortex and magnetic fields
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力場でのPPNテスト2 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] 宇宙ジェットのインフロー領域 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: 日本天文学会 2022年春季大会
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力場による重力理論の検証 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2022
• [Presentation] ブラックホール磁気圏中の磁気音速の伝播 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2022
• [Presentation] Test of Non-circular Black Hole with Pulsars orbiting aroud Sgr A* (2021)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 銀河系中心ブラックホールを周回する星の測定データに基づく重力理論の検証：PPNアプローチ (2021)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: SKA日本チーム、中性子星・ブラックホール・重力理論 研究会
  • Invited
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力場でのPPNテスト (2021)
  • Author(s): 斉田浩見、斎藤亮、西山正吾、孝森洋介、大神隆幸、高橋真聡
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 宇宙定数と複数のレンズ天体による光の屈折と観測量に対する影響 (2021)
  • Author(s): 斎藤亮、斉田浩見
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 巨大ブラックホールSgr A*の強重力場での重力理論の選別 (2021)
  • Author(s): 斉田浩見、西山正吾、斎藤亮、大神隆幸、孝森洋介、高橋真聡、美濃和陽典、他（すばるプロポーザル構成員）
  • Organizer: 日本天文学会 2021年春年会
• [Presentation] 銀河系中心領域の星の運動から探る暗黒質量分布 (2021)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: The 4th workshop on "Mathematics and Physics in General Relativity"
  • Invited
• [Presentation] Simple Chi-squared analysis of orbiting stars around Sgr A* to constrain the dark mass distribution (2021)
  • Author(s): Takamori, Y., Nishiyama, S., Ohgami, T., Saida, H., Takahashi, M.
  • Organizer: Subaru Users Meeting FY2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大BHの強重力場での相対論検証の現状：PPNアプローチ (2021)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2021
• [Presentation] M87ブラックホール磁気圏と宇宙ジェット (2021)
  • Author(s): 高橋真聡、大海ほのか、紀基樹
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2021
• [Presentation] BZモノポール解の摂動解としての妥当性について (2021)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2021
• [Presentation] On the Parametrized post-Newtonian Test at Galactic Center Massive Black Hole (2020)
  • Author(s): Saida, H.
  • Organizer: 30th Japan General Relativity and Gravitation workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールにおける重力理論/ブラックホール時空の検証 (2020)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 第9回観測的宇宙論ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] すばる望遠鏡で探る銀河系中心ブラックホール周囲の暗黒質量分布 (2020)
  • Author(s): 孝森洋介、西山正吾、斉田浩見、高橋真聡、他
  • Organizer: 日本天文学会 2020年秋季年会
• [Presentation] 銀河系中心の巨大ブラックホールにおける重力理論/ブラックホール時空の検証 (2020)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 理論天文学宇宙物理学懇談会 シンポジウム
• [Presentation] 巨大BHの強重力場での相対論検証の現状：PPNアプローチ (2020)
  • Author(s): 斉田浩見、齋藤亮
  • Organizer: 日本物理学会，第75回年次大会（オンライン開催）
• [Presentation] Test of gravity at our galactic central massive black hole (2019)
  • Author(s): Hiromi Saida
  • Organizer: KMI workshop, Future Perspective in Cosmology and Gravity (Nagoya Univ.)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀系中心巨大ブラックホールを巡る星の観測による一般相対論の検証 (2019)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会，第６回ワークショップ（京都大学）
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力における一般相対論の検証 (2019)
  • Author(s): 斉田浩見、西山正吾、大神隆幸、孝森洋介、高橋真聡、美濃和陽介
  • Organizer: 日本天文学会，2019年秋季年会（熊本大学）
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力における一般相対論の検証計画 (2019)
  • Author(s): 斉田浩見、西山正吾、大神隆幸、孝森洋介、高橋真聡、美濃和陽介
  • Organizer: 日本物理学会、2019年秋季大会（山形大学）
• [Presentation] Detecting General Relativistic effect of a star orbiting Sgr A* using Subaru telescope (2019)
  • Author(s): Hiromi Saida, Shogo Nishiyama, Takayuki Ohgami, Yosuke Takamori, Masaaki Takahashi, Yohsuke Minowa
  • Organizer: Galactic Center Workshop 2019, New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond (Keio Univ.)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Test of GR as Galactic central massive BH using Subaru telescope and Thirty-Meter-Telescope (2019)
  • Author(s): Hiromi Saida
  • Organizer: 29th Japan General Relativity and Gravitation workshop (Kobe Univ.)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current results of GR test at Galactic center massive black hole using Subaru telescope (2019)
  • Author(s): Hiromi Saida
  • Organizer: 30th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics (Univ. of Portsmouth, UK)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Detecting General Relativistic effet of a star orbiting Galactic central massive BH using Subaru telescope (2019)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 理論天文学宇宙物理学懇談会シンポジウム（国立天文台）
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホール周りの暗黒質量分布が及ぼすS0-2の視線速度への影響について (2019)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: 第21回特異点研究会
• [Book] 時空図による特殊相対性理論 (2020)
  • Author(s): 齋田浩見
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 森北出版
  • ISBN: 9784627157118
• [Remarks] ブラックホール磁気圏研究会2023
  • URL: https://sites.google.com/view/blackholemag2023/
• [Remarks] ブラックホール磁気圏研究会2022
  • URL: https://sites.google.com/view/black-hole-mag-2022/
• [Remarks] ブラックホール磁気圏研究会2021
  • URL: https://sites.google.com/view/bhmag2021