アウトフロー現象の理論研究と観測との比較で迫る超巨大ブラックホール形成過程の解明
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20K14525
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 16010:Astronomy-related
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| Research Institution | National Institute of Technology (KOSEN), Kure College |
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Principal Investigator |
野村 真理子 呉工業高等専門学校, 自然科学系分野, 助教 (50756351)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | ブラックホール / アウトフロー / 超臨界降着流 / 超巨大ブラックホール / 活動銀河核 |
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| Outline of Research at the Start |
宇宙に存在するほぼ全ての銀河中心には，太陽の100万倍から10億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールが存在することが知られている．しかしながら，その成長・進化過程は未解明である．本研究課題は，数値シミュレーションによる理論研究と観測との比較によって，ブラックホールへと落下するガスが形成する円盤，およびそこから噴出する円盤風の性質を解明し，ガス降着によるブラックホールの成長過程に制限を与えようとするものである．
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| Outline of Annual Research Achievements |
ブラックホール降着円盤から噴出する円盤風は，降着円盤から質量を引き抜き，周囲を取り巻くガスに運動量やエネルギーを注入（フィードバックを及ぼす）ことで超巨大ブラックホールの形成過程および銀河との共進化に影響を及ぼしていると考えられる．しかしながら，その具体的な解明には至っていない．
特に，エディントン限界を超えた降着率（超臨界降着流）を示すブラックホール天体は，超巨大ブラックホールの成長を解明する上で重要である．将来的には降着率の大きく異なる降着流+円盤風を単一の数値計算コードで扱うことを前提に，本年度は，超臨界降着流を持つ恒星質量ブラックホールに着目した研究をおこなった．
具体的には，活動銀河核（大質量ブラックホール+降着円盤）におけるラインフォース（金属元素が紫外光を束縛-束縛遷移吸収する際に受ける輻射力）駆動型円盤風の輻射流体シミュレーション（Nomura et al. 2020, 2021）を10太陽質量のブラックホール周囲の超臨界降着流の遠方領域に適用し，ラインフォースによって駆動される円盤風を調べた．その結果，質量降着率がエディントン限界の~100倍以上の場合，速度~1000 km/sのラインフォース駆動型円盤風が発生することがわかった．ただし，その質量放出率は降着率の~1%であり，ブラックホール近傍への超臨界降着を妨げないこともわかった．本結果は日本天文学会2023年春季年会において報告した．
また，流体力学シミュレーションと並行して，ガス圧の効果を無視して計算コストを削減した流線の運動方程式を解く手法についても共同研究を進め，より現実的な初期条件や相対論的効果を考慮した新しい研究成果を公表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度に計画を変更し，円盤風の輻射流体シミュレーションコードには大きな改良を加えず，これまでの研究で申請者が用いていたコードをベースに使用することとした．計画に変更はあったものの，R3年度には，宇宙初期(低金属量)の種ブラックホールから，現在(太陽金属量以上)の超巨大ブラックホールまでに対応する広いパラメータ空間におけるラインフォース駆動型円盤風の理論研究について成果を査読論文の形で公表した．さらにR4年度にはブラックホール質量や金属量に加えて，超臨界降着流を含む円盤風の降着率依存性を考慮した研究に着手し，学会で成果を公表することができた．一方で，新型コロナウイルスの影響があり，国外で行われる国際会議での研究成果の発表は，R4年度までに十分に行えたとは言えない．
観測との比較については， XRISM衛星の打ち上げが2023年度に再度変更となったが，その間に理論研究をさらに進展させることができた．以上のことから研究計画は概ね順調に進んでいると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究方策として，まずはR4年度に引き続き高降着率環境下におけるラインフォース駆動型円盤風シミュレーションを行い，さらに，円盤風の伝播についての理論研究を進める．本課題の最終年度に向けて，国内外での研究成果の発表にも力を入れる．
R4年度中の研究では10太陽質量のブラックホール周囲の超臨界降着流の遠方領域に着目してラインフォース駆動型円盤風の噴出の有無を調べた．しかしながら，超臨界降着流のブラックホール近傍では，電子散乱による強力な輻射圧によってアウトフローが噴出していることが先行研究によって示されている．このアウトフローは円盤外縁部の上空を伝播して広がっていくため，この領域では輻射圧駆動アウトフローとラインフォース駆動型円盤風が混ざり合い，複雑な構造を形成している可能性がある．そこで，今年度は超臨界降着円盤の外縁部においてラインフォース駆動型円盤風が噴出するか否かを解明することに加え，ブラックホール近傍で加速された電子散乱による輻射圧駆動アウトフローが上空に流入する効果を考慮することで，降着円盤外縁部におけるアウトフローの密度・速度構造を求める．これにより超臨界降着流の広い空間スケールにわたる降着現象を解明する．
また，本研究の目的である，ブラックホールの成長率や星間空間への運動量・エネルギー放出率の解明には，円盤から噴出した円盤風がどのように星間空間へ伝播していくのかを解明する必要がある．そこで，本年度は共同研究により，活動銀河核におけるラインフォース駆動型円盤風の計算結果をより広い空間スケールの計算領域に注入して輻射流体シミュレーションを実行することによって，より遠方の星間ガスへの影響を解明する．
並行して，XRISM衛星の打ち上げに備えて，観測との比較の準備（天体の条件に合わせた計算の実行や，スペクトル計算による時間変動の調査）も引き続き進めていく．
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Report
(3 results)
Research Products
(13 results)
