マルチメッセンジャー天文学を用いた天体高エネルギー粒子起源の探求

• Project/Area Number: 19J00198
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 木村 成生 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 特別研究員(PD) (20865795)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ブラックホール降着流 / 天体ニュートリノ / 活動銀河核 / 連星ブラックホール / X線連星 / 孤立ブラックホール / 非熱的放射 / ガンマ線天文学 / 電波銀河 / 宇宙ジェット / マイクロクエーサー / 宇宙線 / マルチメッセンジャー天文学 / ガンマ線バースト / 天体高エネルギー現象

Outline of Research at the Start

宇宙では宇宙線という光速に近い速度を持った荷電粒子が飛び交っている。荷電粒子は宇宙空間の磁場により曲げられてしまうため、宇宙線の起源天体を宇宙線の観測のみから同定することは難しい。宇宙線は周囲の物質との相互作用により高エネルギーのニュートリノやガンマ線といった電荷を持たない粒子を生成するため、それらの高エネルギー粒子の発生源を見つけることで宇宙線の起源に迫ることができる。本研究ではさまざまな天体からの高エネルギー粒子放射を理論的に計算し、現行の観測装置や将来計画による検出可能性を議論する。

Outline of Annual Research Achievements

今年度はブラックホール周囲で生じる高エネルギー現象について研究を行い、以下の４編の主著論文を執筆・出版した。
1. 静穏状態のX線連星：銀河系内のブラックホールX線連星の静穏状態の可視光線とX線の放射機構と放射領域はまだ未解明である。我々は強磁場降着流からの放射が静穏状態で観測されている可視光データとX線データを無理なく説明できることを示し、電子と同時に加速された陽子は地上で観測されている高エネルギー宇宙線の起源となりうることも示した。
2. 活動銀河核中の連星ブラックホール：重力波観測により現在の恒星進化理論では説明できない質量帯域にブラックホールが存在すると示唆されており、その起源として活動銀河核中の連星ブラックホールが議論されている。我々は恒星質量ブラックホールからの円盤風を考慮し、恒星質量ブラックホールが合体する際には明るい軟X線の突発天体が生じうることを示した。
3. 低光度活動銀河核からの高エネルギー粒子：宇宙はガンマ線や高エネルギーニュートリノで満たされているが、それらの起源天体はまだわかっていない。我々は低光度活動銀河核の高温降着流からのガンマ線とニュートリノ放射を計算し、それらは観測されているMeVガンマ線データとPeVニュートリノデータを自然に説明できることを示した。
4. 孤立ブラックホールからの多波長放射：銀河系内には数億個程度の孤立ブラックホールが星間空間を漂っていると期待される。我々は孤立ブラックホール周囲には強磁場降着流から放射される可視光・X線信号を計算し、現在運用されているGaia衛星やeROSITA衛星が多くの孤立ブラックホール候補天体を発見できることを示した。これらの衛星により見つかった候補天体を多波長で追観測することで、孤立ブラックホールを他天体から区別して同定できることも示した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア州立大学/フロリダ大学/コロンビア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア州立大学/プリンストン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] NTNU(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア州立大学/スタンフォード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ヘブライ大学(イスラエル)
• [Journal Article] Can Stellar-mass Black Hole Growth Disrupt Disks of Active Galactic Nuclei? The Role of Mechanical Feedback (2022)
  • Author(s): Tagawa Hiromichi、Kimura Shigeo S.、Haiman Zoltan、Perna Rosalba、Tanaka Hidekazu、Bartos Imre
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 927 Issue: 1 Pages: 41-41
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac45f8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiwavelength Emission from Magnetically Arrested Disks around Isolated Black Holes (2021)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Kashiyama Kazumi、Hotokezaka Kenta
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 922 Issue: 1 Pages: L15-L15
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac35dc
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-energy Neutrinos from Magnetized Coronae of Active Galactic Nuclei and Prospects for Identification of Seyfert Galaxies and Quasars in Neutrino Telescopes (2021)
  • Author(s): Kheirandish Ali、Murase Kohta、Kimura Shigeo S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 922 Issue: 1 Pages: 45-45
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1c77
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Soft gamma rays from low accreting supermassive black holes and connection to energetic neutrinos (2021)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Meszaros Peter
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5615-5615
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25111-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetically Arrested Disks in Quiescent Black Hole Binaries: Formation Scenario, Observable Signatures, and Potential PeVatrons (2021)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Sudoh Takahiro、Kashiyama Kazumi、Kawanaka Norita
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 915 Issue: 1 Pages: 31-31
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abff58
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Post-merger Jets from Supermassive Black Hole Coalescences as Electromagnetic Counterparts of Gravitational Wave Emission (2021)
  • Author(s): Yuan Chengchao、Murase Kohta、Zhang B. Theodore、Kimura Shigeo S.、Meszaros Peter
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 911 Issue: 1 Pages: L15-L15
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abee24
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Outflow Bubbles from Compact Binary Mergers Embedded in Active Galactic Nuclei: Cavity Formation and the Impact on Electromagnetic Counterparts (2021)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Bartos Imre
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 916 Issue: 2 Pages: 111-111
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0535
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] External Inverse-Compton Emission Associated with Extended and Plateau Emission of Short Gamma-Ray Bursts: Application to GRB 160821B (2021)
  • Author(s): Zhang B. Theodore、Murase Kohta、Yuan Chengchao、Kimura Shigeo S.、Meszaros Peter
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 908 Issue: 2 Pages: L36-L36
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abe0b0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hadronic High-energy Emission from Magnetically Arrested Disks in Radio Galaxies (2020)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Toma Kenji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 905 Issue: 2 Pages: 178-178
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abc343
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deciphering the Origin of the GeV-TeV Gamma-Ray Emission from SS 433 (2020)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Meszaros Peter
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 904 Issue: 2 Pages: 188-188
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abbe00
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-energy neutrino emission subsequent to gravitational wave radiation from supermassive black hole mergers (2020)
  • Author(s): Yuan Chengchao、Murase Kohta、Kimura Shigeo S.、Meszaros Peter
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 8 Pages: 083013-083013
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.083013
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-energy Neutrino and Gamma-Ray Emission from Tidal Disruption Events (2020)
  • Author(s): Murase Kohta、Kimura Shigeo S.、Zhang B. Theodore、Oikonomou Foteini、Petropoulou Maria
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 902 Issue: 2 Pages: 108-108
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abb3c0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hidden Cores of Active Galactic Nuclei as the Origin of Medium-Energy Neutrinos: Critical Tests with the MeV Gamma-Ray Connection (2020)
  • Author(s): Murase Kohta、Kimura Shigeo S.、Meszaros Peter
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Issue: 1 Pages: 011101-011101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.011101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Linking extended and plateau emissions of short gamma-ray bursts (2020)
  • Author(s): Matsumoto Tatsuya、Kimura Shigeo S、Murase Kohta、Meszaros Peter
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 493 Issue: 1 Pages: 783-791
  • DOI: 10.1093/mnras/staa305
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Upscattered Cocoon Emission in Short Gamma-Ray Bursts as High-energy Gamma-Ray Counterparts to Gravitational Waves (2019)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Ioka Kunihito、Kisaka Shota、Fang Ke、Meszaros Peter
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 887 Issue: 1 Pages: L16-L16
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab59e1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multimessenger tests of cosmic-ray acceleration in radiatively inefficient accretion flows (2019)
  • Author(s): Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Meszaros Peter
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Issue: 8 Pages: 083014-083014
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.083014
• [Presentation] 孤立ブラックホール周囲の強磁場降着流からの多波長放射とその観測可能性 (2022)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] Multi-wavelength emission from magnetically arrested disks (2022)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Black Hole Astrophysics with VLBI 2022
  • Invited
• [Presentation] 高エネルギーニュートリノ放出天体の理論モデル (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 第 12 回光赤外線大学間連携ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 高エネルギーニュートリノと重力波観測で探る天体物理 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム「ニュートリノ・重力波時代のマルチメッセンジャー観測の展望」
  • Invited
• [Presentation] SS433ジェットからの高エネルギー放射 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: SS433/W50 研究会
  • Invited
• [Presentation] 孤立ブラックホール周囲の強磁場降着流からの多波長放射 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 第 34 回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 孤立ブラックホール周囲の強磁場降着流からの多波長放射 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2021
• [Presentation] 静穏時のブラックホール連星での強磁場降着流の形成と電磁波・宇宙線放射 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] Stochastic Cosmic-ray Acceleration in Black-hole Accretion Flows (2021)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (DPP2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Very-high-energy emission from Gamma-ray Bursts & Transient High-energy Neutrino Sources (2021)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: MAGIC Collaboration Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle acceleration simulations in hot accretion flows (2021)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Black Hole Astrophysics with VLBI: Multi-Wavelength and Multi-Messenger Era
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブラックホール降着流における高エネルギー現象の理論的研究 (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年春季年会
  • Invited
• [Presentation] Current Status and Future Prospects for Particle Acceleration Simulations (2021)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: CfCA ユーザーズミーティング
  • Invited
• [Presentation] Cosmic rays acceleration in low-luminosity AGN (2020)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Probing the Extragalactic Universe with High Energy and Very High Energy Sources
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gamma-ray and neutrino emission from radiatively inefficient accretion flows (2020)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Connecting high-energy astroparticle physics for origins of cosmic rays and future per- spectives
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 天体高エネルギーニュートリノの理論モデル (2020)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: CRC 将来計画タウンミーティング
  • Invited
• [Presentation] High-energy emissions from accretion flows (2020)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: Recent Topics in Time-Domain High-Energy Messenger Astrophysics
  • Invited
• [Presentation] マイクロクエーサー SS433 からの高エネルギーガンマ線放射 (2020)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本天文学会 2021 年春季年会
• [Presentation] マイクロクエーサーSS433からのガンマ線放射 (2020)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2020
• [Presentation] 電波銀河研究の新展開:強磁場降着流からのガンマ線とニュートリノ (2020)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本天文学会 2020 年秋季年会
• [Presentation] Hadronic Gamma Rays from the Hot Accretion Flow in M87 (2020)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Active Galactic Nucleus Jets in the Event Horizon Telescope Era
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diffuse High-energy Neutrino Flux and Models (2020)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Theory Meeting Experiment: Particle Astrophysics and Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-energy Particles from Binary Neutron Star Mergers (2019)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: The extreme Universe viewed in very-high-energy gamma rays 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-energy Neutrinos from Neutron Star Mergers (2019)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Gamma-ray Bursts in the Gravitational Wave Era 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-energy Neutrino Emissions from Accretion Flows in Active Galactic Nuclei (2019)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Science Session of IceCube Collaboration Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neutrinos from NS-NS Mergers (2019)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: Perspectives in Astroparticle physics from High Energy Neutrinos (PAHEN 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-energy Neutrinos and photons from Neutron Star Mergers (2019)
  • Author(s): Shigeo Kimura
  • Organizer: IGC@25: The Multi-Messenger Universe
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 活動銀河核の降着流からのニュートリノ放射 (2019)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 第 32 回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 活動銀河核の降着流からのニュートリノ放射 (2019)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2019
  • Invited
• [Presentation] 連星中性子星合体残骸による高エネルギー宇宙線生成 (2019)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本物理学会 2019 年秋季大会
• [Presentation] 連星中性子星合体残骸による高エネルギー宇宙線生成 (2019)
  • Author(s): 木村成生
  • Organizer: 日本天文学会 2019 年秋季年会
• [Remarks] 静穏な超巨大ブラックホールからの高エネルギー粒子 天体ニュートリノと天体ガンマ線の発生源を新たに提唱
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/09/press20210924-04-blackhole.html
• [Remarks] Gamma Rays and Neutrinos from Mellow ...
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/en/press/gamma_rays_neutrinos_mellow_supermassive_black_holes.html
• [Remarks] Gamma-rays and neutrinos from mellow ...
  • URL: https://www.psu.edu/news/research/story/gamma-rays-and-neutrinos-mellow-supermassive-black-holes
• [Remarks] ブラックホール周辺でのガンマ線、ニュートリノ生成の新しいメカニズムを提案
  • URL: http://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-904.html
• [Remarks] Excess neutrinos and missing gamma rays?
  • URL: https://news.psu.edu/story/622954/2020/06/30/research/excess-neutrinos-and-missing-gamma-rays