Exploration of Black Hole Spacetime and Origin of Astrophysical Jets

2021 Fiscal Year Research-status Report

• 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 – 2023-03-31
• 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 / 活動銀河核 / プラズマ加速

Outline of Annual Research Achievements

活動銀河M87宇宙ジェットの加速機構を明らかにするため、一般相対論的磁気流体力学の範疇でブラックホール磁気圏モデルを構築し、宇宙ジェットとしてのアウトフローを考察した。ほぼ光速で噴出している宇宙ジェットは、銀河中心核の巨大ブラックホール近傍の磁気圏領域において形成されるとした。磁気圏が回転することで磁気プラズマにはローレンツ力(遠心力)が発生するが、バルクなプラズマが宇宙ジェットとして相対論的速度にまで加速される理論モデルを構築した。宇宙ジェットの形成領域から加速領域にかけての領域では磁場が卓越するが、宇宙ジェットの加速に伴い磁場のエネルギーが流体のエネルギーに転換する様子も示せた。宇宙ジェットの加速の様子や磁化率の変化（磁場から流体へのエネルギー変換）は電波VLBI観測によって測定されているが、本研究の磁気流体流モデルでこれを再現することができた。
観測データを再現する宇宙ジェットモデルの主要パラメータには、大局的磁力線の形状、磁力線の回転角速度、輸送されるエネルギーおよび角運動量のフラックスがある。これらのパラメータ値の組み合わせで様々なアウトフローの速度場や磁化率の分布を再現できるが、プラズマ源で低速であったプラズマの流れが宇宙ジェットとして加速されるめには、アルフェン点や速い磁気音速点を通過する必要がある。これらの特徴的な点では流れに臨界条件が課されるが、本研究ではその条件を詳細に解析し、流れの物理パラメータ値への制限を明らかにした。これを電波VLBI観測データに照らし合わせることで、ジェットの終端速度、磁気圏内に生じる light surface, Alfven surface, fast magnetosonic surface の分布、および inflow と outflow との分流点の位置を明らかした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

宇宙ジェットの加速機構の理解のため、ブラックホール磁気圏における磁気流体アウトフロー解の性質を詳細に扱うのが当初の計画であった。前年度までの取り組みで、磁気流体アウトフロー解をM87宇宙ジェットの観測データ（速度場分布、磁化率分布）に適用し、M87ジェットの主要な物理量（特に角速度や角運動量）を推定することに成功した。この成果を２本の論文として発表した（うち１本は査読中）。
本年度においては、これのアウトフロー解を整理し発展させ、ブラックホールに降着するインフロー解についての研究に着手できた。今後の具体的アプローチについては検討課題が残されるものの、既に予備的段階の研究に着手できている。アウトフロー解に比べて一般相対論的な効果（強重力場の効果）が大きな作用を及ぼすため、インフロー解の解析は相当に複雑になるのだが、現在までに理解を助けるための物理パラメータの分類に目処が立っており、見通し良い段階に至っている。
また、本研究課題に関連して、ブラックホール磁気圏に生じるアルフェン波によるブラックホールの回転エネルギー引き抜き機構を明らかにした。これは「超放射（superradiance）」と呼ばれる現象であり、自転するブラックホールに向かって入射した波が時空の引きずり効果のもとで反射される際に（波の振幅が）増幅されるという現象である。波の増幅反射による外向きエネルギーの流れはブラックホール回転エネルギーの引き抜きを意味するが、磁気圏中のAlfven 波についても可能であることを示した。この機構は、磁場によるブラックホール回転エネルギー引き抜き機構（Blandford-Znajek 機構）と密接に関連していて、ブラックホールと磁場との相互作用を理解する上で重要な鍵となる結果である。この成果を論文として発表した。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題では、ブラックホール磁気圏における磁気流体定常流モデルをM87銀河の宇宙ジェットの速度場観測に適用し、磁気圏を特徴づける物理パラメータ値を推定した。今後は、その推定値と整合性のある「M87宇宙ジェット発生」のしくみを掘り下げる。宇宙ジェットを構成するプラズマの供給について、また宇宙ジェットとして放出される際の初速や密度などについては、観測的にはまだ不明である。このプラズマ供給領域に求められる物理量への制約や、理論モデルとして設定すべき状況設定などの理解を深めるとともに、プラズマ源からブラックホールに落下する側の（内向きの）ジェット流について磁気流体定常流解を適用する。必要に応じて定常解に摂動を加えた扱いも試みる。これらの取り組みを通じて、ブラックホール時空の物理量（重力赤方偏移、時空の引きずり効果）の測定を目指す。
プラズマ供給領域の観測的探査、さらにブラックホールに近い領域のプラズマ流の探査は、いままで実現していない。しかし、近年の電波VLBI観測技術の発展はそれを可能にしつつある。本研究課題の成果として、プラズマ源がブラックホール半径の10-100倍の位置に存在することが示されたが、この成果は電波VLBI観測の研究グループにも波及効果を及ぼし、今後の観測計画でこの領域のプラズマ速度場を詳細観測するプロポーザルが提案されている。
本研究会で培われた一般相対論的プラズマ流解の振る舞いを、プラズマ源および内向きジェット領域（降着プラズマ流）に適用し、今後得られるであろう電波VLBI観測データ（プラズマの速度場や磁場強度の分布）とマッチさせることでブラックホール近傍領域の物理量を推定する。

Causes of Carryover

コロナ禍の状況下にあって、研究成果発表や研究打ち合わせのための出張のほとんどを取り止めた。また当初計画の主催研究会「ブラックホール磁気圏研究会」(2022年3月大阪市立大学) について、大阪市立大学数学研究所からの研究助成（旅費補助）を得て実施することができ、そのお陰で本研究費に未使用額(次年度使用額)が生じた。
次年度使用額については、研究成果発表や研究打ち合わせのための出張旅費、研究会主催のための費用(2023年3月宮崎県にて開催予定)、論文投稿料、およびプリンター関連消耗品として使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Taiwan Normal University(その他の国・地域)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: National Taiwan Normal University
• [Journal Article] Alfvenic superradiance for a monopole magnetosphere around a Kerr black hole (2022)
  • Author(s): Noda Sousuke、Nambu Yasusada、Takahashi Masaaki、Tsukamoto Takuma
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Pages: 064018(10)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.105.064018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] One-dimensional Force-free Numerical Simulations of Alfven Waves around a Spinning Black String (2022)
  • Author(s): Koide Shinji、Noda Sousuke、Takahashi Masaaki、Nambu Yasusada
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 928 Pages: 84-102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac47f8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Relativistic jet acceleration region in a black hole magnetosphere (2021)
  • Author(s): Takahashi Masaaki、Kino Motoki、Pu Hung-Yi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Pages: 103004(17)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.104.103004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Trans-fast Magnetosonic Inflows and Outflows in a Black Hole Magnetosphere (2021)
  • Author(s): Takahashi Masaaki, Kino Motoki
  • Journal Title: New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 443-444
• [Journal Article] Short Time Scale Variation in the Sub-millimeter Flux of Sgr A* (2021)
  • Author(s): Miyoshi, M, Asaki, Y, Tsuboi, M, Uehara, K, Oka, T, Iwata, Y, Takahashi, M, Ishitsuka, J, Tsutsumi, T, Miyazaki, A, Matsumoto, R
  • Journal Title: New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 259-261
• [Journal Article] Testing Fundamental Physics With Stellar Orbits at the Galactic Center (2021)
  • Author(s): Do, T, Hees, A, Ghez, A, Martinez, G. D, Chu, D. S, Jia, S, Sakai, S, Gautam, J. R. Lu, A. K, O'Neil, K. K, Becklin, E. E, Morris, M. R, Matthews, K, Nishiyama, S, Campbell, R, Chappell, S, Chen, Zhuo, Ciurlo, A, Witzel, A, Gallego-Cano, E, Kerzendorf, W. E, Lyke, J. E, Naoz, S, Saida, H, Schodel, R, Takahashi, M, (+4)
  • Journal Title: New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 249-254
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙ジェットのインフロー領域 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: 日本天文学会2022年春季年会
• [Presentation] ブラックホール磁気圏中の磁気音波の伝播 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会
• [Presentation] ブラックホール磁気圏研究の現在、過去、未来 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: 研究会「相対論と重力研究の現在，過去・未来」
  • Invited
• [Presentation] M87宇宙ジェット加速領域：GRMHDアウトフローにおける角運動量輸送 (2021)
  • Author(s): 高橋真聡、紀基樹、Pu, Hung-Yi
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] BTZ ブラックストリングまわりの磁気圏中を伝播するアルベン波の数値計算 (2021)
  • Author(s): 小出眞路、野田宗佑、高橋真聡、南部保貞
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Remarks] ブラックホール磁気圏研究会2022
  • URL: https://sites.google.com/view/black-hole-mag-2022/
• [Remarks] BZ(Blandford-Znajek)研究会
  • URL: https://www.phyas.aichi-edu.ac.jp/~takahasi/BZ77_WS2019/
• [Remarks] Black Hole Horizon Project
  • URL: https://www.phyas.aichi-edu.ac.jp/~takahasi/Project_Horizon/