2018 Fiscal Year Research-status Report
Exploration of Black Hole Spacetime and Origin of Astrophysical Jets
| Project/Area Number |
17K05439
|
|---|
| Research Institution | Aichi University of Education |
|---|
Principal Investigator |
高橋 真聡 愛知教育大学, 教育学部, 教授 (30242895)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | ブラックホール / 宇宙ジェット / 磁気流体力学 / 一般相対性理論 / 磁気圏構造 / 銀河系中心 / ソリトン / 粒子加速 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
活動的銀河中心領域に関わる高エネルギー天体現象の理解のため、ブラックホール周辺のプラズマ環境についての研究を進めている。今年度は、ブラックホール周辺に形成される磁気圏モデルについて、一般相対論的磁気流体力学を用いての定常的磁気圏構造（磁場構造、流速分布など）の問題に取り組んだ。この磁場形状および流速分布の理解は、宇宙ジェットの構造や加速機構を理解する上で本質的に重要となる。磁場分布の解法に際しては、磁場が非常に強い状況を仮定し、一般相対論の枠組みに拡張した磁力線力の釣り合い方程式を数値的に解いた（Magnetic-friction method）。宇宙ジェットの境界条件を前提としたが、磁力線の形状はブラックホールの自転速度と磁力線の回転角速度に依存して決まることが明らかになった。ブラックホールの自転速度が十分に速く、磁気圏の回転角速度が小さい場合には、磁力線は回転軸方向に収束する。一方で、磁気圏の回転角速度が大きい場合には回転軸から離れる方向にたわんで行くことが分かった。磁気圏の回転角速度がブラックホールの自転角速度の半分程度の場合には、コニカル形状に（ポロイダル面内で放射状に）なることが分かった。近年のM87宇宙ジェットのサブミリ波電波 VLBI 観測によると、宇宙ジェットの生成領域の磁場形状はほぼ放射状であることが指摘されているので、妥当な結果が得られたと考えている。なお、このコニカル形状が実現している際には、ブラックホールの回転エネルギー引き抜き機構（BZ機構）が効率良く起こることが知られているので、宇宙ジェットのエネルギー源としてブラックホール回転エネルギーを有望視できる。ジェット・プラズマの加速機構および加速領域についても解析は進んでおり、いくつかの数値実験が残されている段階である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
宇宙ジェットの付け根領域には巨大ブラックホールが存在し、その周辺のプラズマや磁場の活動性によって、（宇宙ジェットには）磁気プラズマと膨大なエネルギー流が供給されると期待している。ブラックホールの強重力場ゆえに重力赤方偏移や時空の引きずりといった、特異な現象が発現しうるが、遠方にまで広がる宇宙ジェットは磁力線を介してブラックホール時空に繋がっているので、一般相対論の議論の枠組みで宇宙ジェットを理解できれば、遠方の観測によりブラックホール周辺の物理量を推定できる。ひいてはブラックホール時空の理解へと繋がる。
ここ数年、サブミリ波電波 VLBI メンバーとの共同研究を進めているが、彼らの観測結果と本研究の理論モデルの間には非常に良い整合性のあることが分かってきており、現在データの照合作業を進めている。宇宙ジェットの本質的な性質を決めているのは、基本的には１粒子あたりのエネルギーと磁力線の回転速度であるようだ。また、2017 年に Event-Horizon-Telescope プロジェクトが実施した観測（地球規模に展開した電波望遠鏡群によるサブミリ波電波VLBI観測）により、 M87銀河中心の巨大ブラックホール影が撮像された（2019年４月公開）。これにより、ブラックホール地平面のごく近傍のプラズマ環境までもが見えだしてきた。ただし、宇宙ジェットそのものの姿は、その画像には反映されてなかった。その理由は何だろうか？宇宙ジェットの生成領域、加速領域は、ブラックホールから少しはならたところに位置するのかもしれない。本研究は、そのブラックホール領域でのガスや磁場の分布を理論予測し、宇宙ジェットの起源を探ることを目的としている。 ブラックホール影の撮像のインパクトを尊重しつつも、同時に浮上して来た新たな疑問を検討する作業を通じて、本研究のさらなる深化を探っていく。
|
| Strategy for Future Research Activity |
上記の研究成果（現在投稿中）は、磁場が卓越した状況下でのものである。宇宙ジェットの理解のためには、磁気圏中のプラズマ分布およびプラズマ流速分布を扱う必要がある。この取り扱いのためには、プラズマ慣性項を取り入れた解析が不可欠である。今後は、システムを記述する基礎方程式に慣性項を残しつつ磁力線形状を数値解析する。ただし、この取り扱いは数理物理的には困難であることが予想される。そこで磁力線の形状を予めもっともらしいものに仮定した上で、磁気流体流の加速の様子を探る。ブラックホール近傍の磁気圏あるいは宇宙ジェットについてのもっともらしい磁力線の形状は、いままでの理論的研究（本研究含む）や VLBI 観測結果から推定することが出来るようになって来たので、ある程度の根拠づけが可能である。ブラックホール時空の振る舞いを理解する上でも、解析に際してはブラックホールの自転（スピンパラメータ）および磁力線回転の依存性調べる。観測量と比較検討するためには、プラズマをどの領域でどの程度にまで加速されるのか、また宇宙ジェットが加速されるに伴い磁化率（流体と磁場のエネルギーフラックス比）はどのように変化していくかを検討する。
ブラックホール周辺の高エネルギー環境においては、宇宙ジェット形成、高エネルギー放射などに加えて、高エネルギー粒子（宇宙線）もまた生成されているに違いない。今年度は、ソリトン波（イオン波ソリトン）に関する共同研究を進めることができ、ソリトン波による新たな粒子加速機構を提案した。今後は、この加速機構に磁場の効果を盛り込んで、活動銀河核領域における宇宙線の起源の問題にも取り組む。現状ではまだ一般相対論の枠組みには表現できていないが（非相対論）、ブラックホール磁気圏での粒子加速機構として整備していく予定である。
|
| Causes of Carryover |
前年度３月に海外共同研究との打ち合わせのための渡米（２週間程度）を予定しており、年度末まで、そのための海外旅費を未使用のまま確保していた。しかしながら、急遽に共同研究者の一人の都合がつかなくなり、計画を翌年度に繰り越すこととなった。繰越金が生まれたため、翌年度に導入予定の物品の一部を繰り上げて購入することとしたが、16万円程の次年度使用額が生じることとなった。この繰り越し予算は、次年度の海外旅費および当初購入予定の物品費等に使用する。
|
