強重力場における高エネルギー現象の解明とその観測可能性

• Project/Area Number: 20J00416
• 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: Kyoto University
• 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): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 一般相対性理論 / ブラックホール

Outline of Research at the Start

近年，連星ブラックホールからの重力波が初観測された後，電磁波観測によってブラックホールシャドウの初撮像に成功した．今後はますます詳細・精密で，多様なブラックホール観測の時代が訪れようとしている．このような時代において，ブラックホールを特徴付ける「事象の地平面」近傍における物理現象の理解が重要となるであろう．
そこで本研究では，ブラックホール近傍における高エネルギー物理現象に対して，自己重力効果と重力反作用効果の研究を行う．これら強重力場の特徴的な効果を明らかにし，実際の観測量に対して理論的予言を提示したい．

Outline of Annual Research Achievements

2019年にM87中心のブラックホール候補天体がつくるシャドウが初観測された．この天体は高速回転している可能性が指摘されており，本研究対象である強重力場を作る回転ブラックホールが有力候補である．中心天体がブラックホールであるか否かを決定するためには，ブラックホールを特徴付ける事象の地平面近傍からの情報を得られる観測可能量を見いださなければならない．そこで本研究では，先述のブラックホールシャドウに関連する，事象の地平面近傍からの脱出確率に関する考察を進めている．
今年度は，研究計画「衝突Penrose過程とその応用，観測可能性」をさらに発展させ，特にブラックホールのごく近傍の観測可能性に関する研究を行った．ブラックホール近傍の特徴をより深く解析するために，私が以前開発した光の脱出確率の定式化に対して，near-horizon geometryとよばれる地平面近傍の高い対象性を反映した解析手法を応用し，ブラックホールのごく近傍からの脱出確率を評価した．その結果，高速回転しているブラックホールの近傍では，地平面からの固有距離に応じて光の脱出確率が減少するが，光源が地平面到達直前までは有限の脱出確率を示すことが解析的に明らかになった．
ブラックホールからのエネルギー引き抜き過程の反作用効果の定式化に向けて，電荷を持つ球対称ブラックホールまわりのスカラー場の波動方程式の解析およびエネルギー運動量テンソルの構築に関する研究も行った．スカラー場の波動方程式に対して，地平面近傍の解と無限遠方の解をある仮定のもとで適切に接続する手法により，時空全体で適応可能なエネルギー運動量テンソルを構築した．これを用いてエネルギーが引き抜かれるブラックホールの質量と電荷の時間変化を定式化する研究に発展させる予定である．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photon escape in the extremal Kerr black hole spacetime (2022)
  • Author(s): Kota Ogasawara, Takahisa Igata
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 2 Pages: 024031-024031
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.024031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photon emission from inside the innermost stable circular orbit (2021)
  • Author(s): Takahisa Igata, Kazunori Kohri, Kota Ogasawara
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 10 Pages: 104028-104028
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.104028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete classification of photon escape in the Kerr black hole spacetime (2021)
  • Author(s): Kota Ogasawara, Takahisa Igata
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 4 Pages: 044029-044029
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.044029
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Photon escape probability and near-horizon extremal Kerr geometry (2022)
  • Author(s): Kota Ogasawara
  • Organizer: The 31st Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photon emission in the near-horizon extremal Kerr geometry (2022)
  • Author(s): 小笠原康太，伊形尚久
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Photon escape probability and near-horizon extremal Kerr geometry (2022)
  • Author(s): 小笠原康太
  • Organizer: 第23回特異点研究会
• [Presentation] Near-Horizon Extremal Kerr geometryを用いた光の脱出確率の解析的導出 (2022)
  • Author(s): 小笠原康太，伊形尚久
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Photon escape in the extremal Kerr black hole spacetime (2021)
  • Author(s): Kota Ogasawara
  • Organizer: The 30th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Kerr-Newman時空における光の脱出と分類 (2021)
  • Author(s): 小笠原康太，伊形尚久
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Kerrブラックホールにおける光の放射:分類と脱出確率 (2021)
  • Author(s): 小笠原康太
  • Organizer: 第22回特異点研究会
• [Presentation] ブラックホール近傍からの光の脱出確率 (2021)
  • Author(s): 小笠原康太
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2022
• [Presentation] Photon emission from inside the innermost stable circular orbit (2021)
  • Author(s): 伊形尚久，郡和範，小笠原康太
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Complete classification of photon escape in the Kerr black hole spacetime (2021)
  • Author(s): 小笠原康太，伊形尚久
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Kerrブラックホール近傍からの光の放射：完全分類と脱出確率 (2021)
  • Author(s): 小笠原康太
  • Organizer: The 4th workshop on "Mathematics and Physics in General Relativity"
  • Invited
• [Presentation] Complete classification of light escape in the Kerr black hole spacetime (2020)
  • Author(s): Kota Ogasawara
  • Organizer: online JGRG workshop 2020
  • Int'l Joint Research