2019 Fiscal Year Research-status Report
ブラックホール及び中性子星降着円盤の活動性と起源の解明
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17K14260
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| Research Institution | Komazawa University |
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Principal Investigator |
高橋 博之 駒澤大学, 総合教育研究部, 講師 (80613405)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ブラックホール / 降着円盤 / 数値実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コンパクト天体＋降着円盤系の中でも、超高光度X線源や狭輝線I型セイファート銀河といった天体は非常に高い光度を持つため、比較的軽いブラックホール(以下BH)へ大量のガスが降着する超臨界降着円盤が形成されている可能性が指摘されている。しかし光度から中心天体の質量(やBHスピン)を決定するのは難しく、比較的大質量を持つBHへの亜臨界降着の可能性を否定するのは難しい。
そこで本研究では光度だけでなくスペクトルから質量降着率やBHスピンについて理論的に探るべくモンテカルロ法に基づく一般相対性理論的輻射輸送コードを開発し、超臨界降着状態にある恒星質量BHのスペクトル計算を行った。その結果、BHスピンの大きさに応じてスペクトルは変化し、BHスピンが大きくなるほどスペクトルはハードになることがわかった。この手法を降着率の低い輻射非効率円盤を持つ大質量BHに適用した場合でもスペクトルのBHスピン依存性が得られており、これらのことからスペクトルは低降着率・高降着率どちらの場合でもスピンを決定する手段になりうる可能性を示した。
一方で観測的には超臨界降着が起きている証拠があるが、理論的に超臨界降着が可能であるかどうかは不鮮明なところがある。特にBH降着円盤からの輻射フィードバックがある場合、BH降着円盤へ遠方からガスを供給することが難しくなる可能性がある。そこで本研究ではより広い領域をカバーした輻射流体計算を行い、BH降着円盤への大量のガス供給が可能かどうかを調べた。その結果BH質量が比較的小さい場合には円盤放射がハードになるために光子の吸収率が下がり、ガス降着をあまり阻害しないことがわかった。つまり比較的軽いBHの超臨界降着は比較的容易に行われることがわかった。これらは超高光度X線源や狭輝線I型セイファート銀河が超臨界降着状態にあるという可能性を支持する結果である。
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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
近年のX線観測の発展によりブラックホール(以下BH)や中性子星への超臨界降着の可能性が指摘されている。しかし理論的には(1)BH降着円盤からのフィードバックがある状況において十分な量のガスを降着円盤に供給できるのか、(2)BHのスピンは決定できるのか、(3)中性子星かBHかを区別することは可能なのか、といった課題が残されている。
(1)についてはBH降着円盤を包括する広い計算領域における輻射流体計算を行うことで、比較的低質量のBHの場合にはフィードバックの効果は弱く超臨界降着が可能であることがわかった。(2)についてはモンテカルロ法に基づく一般相対論的輻射輸送コードを開発し、超臨界降着にあるBHのスペクトル計算を行うことで、BHスピンとスペクトルの間に相関があることを明らかになってきた。同様の結果は亜臨界降着の場合にも得られており、スペクトルはBHスピンを決定する手段になりうることを示している。また、一般相対論的輻射磁気流体計算を用いた超臨界降着円盤からのジェットパワーのBHスピン依存性の研究も同時に推進しており、BHスピンとジェットパワーの関係やそのエネルギー構成（輻射・ガス）の関係も明らかになりつつある。(3)についても一般相対論的輻射磁気流体計算を行い、中性子星の磁場強度と質量降着率の違いがジェットにどのような影響を与えるかも明らかになりつつある。また中性子星磁場と円盤の間の磁気散逸の局所計算も行っており、放射冷却が磁気散逸を促進することも明らかにした。
(1-3)に関連してブラックホール降着円盤をより高精度かつ長時間発展を追うことを目的として高精度磁気流体コードCANS+を開発、さらに輻射も同時に解くCANS+Rを開発し、降着円盤の状態遷移の研究も進んでいる。
このように研究成果も順調にでており、新しい研究テーマについても進展がみられるため、概ね順調であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究によりブラックホールや中性子星といったコンパクト天体の近傍に十分な量のガスが供給される場合は超臨界降着が可能であること、さらにより大きな領域を計算することによりコンパクト天体＋降着円盤系へ十分なガス供給が可能であり、降着円盤が超臨界降着を維持できること、を明らかにしてきた。これらの結果は超高光度X線源や狭輝線I型セイファート銀河が超臨界降着状態にあるという観測的示唆を支持するものである。
今後の研究は観測される天体が本当に超臨界降着状態にあるのかどうかを理論的に判別する方法を提唱することである。この目的のために本研究ではモンテカルロ法に基づく一般相対論的輻射輸送コードを構築し、スペクトルから判別する方法を模索してきた。現在までの研究で中性子星とブラックホールでスペクトルに有意な差が現れること、さらにブラックホールでもスピンによってスペクトルが異なることがわかってきた。これらの結果はスペクトルから中心天体の種類や状態を識別できる可能性を示唆している。さらに一般相対論的磁気流体計算によりジェットのパワーや組成にも中心天体の情報が埋め込まれている可能性がわかってきた。本年度はこれらの研究をまとめ、理論的に中心天体を識別する方法を提唱したいと考えている。
一方で現在の一般相対論的輻射磁気流体計算では輻射の取り扱いに流体近似を用いているため、非物理的な現象が現れることが知られている。この影響を正確に見積もるためにはボルツマン方程式に基づく輻射輸送計算が必須となる。この方法は計算コストが高く世界的にもまだ成功していないチャレンジングな課題ではあるが、従来のコードの性能評価に用いることができるだけでなく、正しい物理法則に基づく結果を得られるため、今後はこの計算が主流になると考えている。この研究を進めることにより降着円盤のより詳細な構造を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
予定していた出張がキャンセルになり予定より少額でおさえられたために次年度使用額が生じた。そのお金は次年度に使用する。
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[Presentation] 内海碧人, 大須賀健, 高橋博之2019
Author(s)
General relativistic radiation magnetohydrodynamics simulations of super-Eddington accretion disks around prograde and retrograde black holes
Organizer
Active Galactic Nucleus Jets in the Event Horizon Telescope Era
Int'l Joint Research
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