2019 Fiscal Year Research-status Report
Exploration of Black Hole Spacetime and Origin of Astrophysical Jets
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17K05439
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| Research Institution | Aichi University of Education |
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Principal Investigator |
高橋 真聡 愛知教育大学, 教育学部, 教授 (30242895)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
活動銀河中心核領域で観測される高エネルギー天体現象および相対論的天体現象の理解のため、ブラックホール周辺での相対論的磁気プラズマ環境についての研究を進めた。今年度前半には、昨年度からの継続研究として、ブラックホール周辺に形成される磁気圏モデルの数値シミュレーションを行った。数値解法に際しては、磁場が卓越した状況のもとでの定常磁気圏について、その磁場構造を考察した。初期に放射状の磁場形状（θ＝一定の磁力線）を仮設定し、考察している方程式系に対して自己矛盾の無い解を数値的に求めた。その結果、回転ブラックホールの角速度と磁力線の角速度の比に依存して、回転軸方向に収束した磁場形状や、回転軸から離れる方向に湾曲する磁場形状が得られた。興味深い結論としては、磁力線の角速度がブラックホールの角速度の1/2よりも小さい場合に、磁力線が回転軸方向に収束することを示した。さらに、この比が 1/2 程度の時には放射状の磁場形状となることを示した。このことは、宇宙ジェットが絞られたビーム形状である観測事実において、そのブラックホールとの関わりを探る上で極めて重要な示唆を与えると期待できる。
我々はM87宇宙ジェットの加速機構についての研究も進めており、一般相対論的な磁気流体についてのベルヌーイ方程式を定式化し、パラメータサーチしてその解の性質を考察している。この解析のためには、何らかの尤もらしい磁場形状を設定する必要があるが、いまや上記の数値シミュレーションで得られた磁場形状を導入することができる。上記の数値シミュレーションは、磁場が卓越している状況であり、プラズマ加速の議論には限界があったが、磁気流体定常解を相補的に扱うことで、宇宙ジェットとしてのプラズマ加速について理解を深めた。M87宇宙ジェットの観測データとの比較も進行中であり、整合性のある結果を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
共同研究者（モンタナ州立大学）と共に数年かけて開発してきたブラックホール磁気圏数値シミュレーションのコードが完成し、安定的にパラメータサーチができるようになった。そのため、この時期に様々な成果を得ることができた。予想していた結果確認以外にも新たな発見もあり、一般相対論的プラズマ物理についての理解を進めることができた。さらに共同研究（名古屋大学）により、Blandford-Znajek 機構（磁気トルクによるブラックホール回転エネルギー抽出）とSuper-radiance 機構（反射波動の増幅によるブラックホール回転エネルギー抽出）の相互関連について、解明できた。
M87宇宙ジェットの付け根には巨大ブラックホールが存在すると示唆されていたが、2019年春に Event Horizon Telescope（EHT)の電波サブミリ波 VLBI観測(2017)による「ブラックホール影」撮像成功の報道があった。EHTはM87宇宙ジェットの付け根領域についてもVLBI観測を重ねていて、また日韓VLBI観測グループも独自に観測成果を出しており、この数年でM87宇宙ジェットおよびブラックホール環境の観測的知見が急速に増えてきている。本研究テーマであるM87宇宙ジェットの理論研究は、この時勢に乗っての観測データとの照らし合わせも可能となり、予想以上の整合性を見出せている。
銀河系中心の巨大ブラックホールを周回する恒星S2が、2018年春にブラックホールに最接近した。ブラックホール近傍を通過するため、その軌道は一般相対論効果の影響を受けるはずで、我々は国立天文台ハワイ観測所「すばる望遠鏡」にてモニタ観測を行なってきた。その観測データの解析が進み、一般相対論効果の検出に成功した。米国 Keck グループと共同解析することにもなり、相互の観測データを集約することで成果を上げることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ブラックホール周辺に形成される磁気圏について、M87宇宙ジェットコアや銀河系中心ブラックホールの観測データとの整合性も見極めながら、理論的研究を発展させる。基本方針としては、一般相対論的磁気流体力学の新手法をブラックホール環境に適用し、曲がった時空内での磁場・流体の振る舞いを明らかにしていく。また、ブラックホール周り高エネルギー天体現象の観測データに見出されるはずの、相対論的現象を提唱する。この目的のため、以下の４つのサブテーマを扱うこととする：（１）磁気圏構造解法の新手法：磁気圏の磁場構造を解くためには、磁力面に垂直方向の力の釣り合いを考察する必要がある。この議論は以前から多くの研究者によって考察されてきたものの、十分な理解には至っていない。本研究では、磁気圏の物理量に不自然な発散項が生じる難点を避けるべく、磁気圏パラメータの選び方（組み合わせ方）に工夫を凝らし、磁気圏モデルとしてより自然と思える方程式系を導出する。（２）ブラックホール磁気圏における波動現象：本研究では定常軸対称のモデルを扱うが、数値シミュレーションによる磁気圏研究とのすり合わせも不可欠である。この目的のため、定常磁気圏をベースにして、物理量の摂動について伝播の様子（磁気流体波の伝播）を調べる。磁気圏におけるエネルギーと角運動量の輸送経路の理解が深まることで、数値シミュレーション研究との比較が可能となる。（３）強重力場環境におけるジェット流加速モデルとM87宇宙ジェット観測：本研究において、M87宇宙ジェットにおける磁気流体的加速機構について理解が進んだ。かつ、構築した理論モデルにより、観測されているジェット流の速度場を説明できることも示せた。今後は、ブラックホール近傍のガス降着領域との接続についても検討する。（４）高エネルギー粒子加速：磁気圏に発生するソリトン的波動による粒子加速の機構を議論する。
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| Remarks |
「ブラックホール磁気圏研究会2020」を企画し、http://www.phyas.aichi-edu.ac.jp/~takahasi/BHmag2020/ を作成済み。ただし新型コロナウイルス感染防止対策として開催延期中であるため、成果報告などの追記がなく、未完成の状態である。
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