2019 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of blackhole spacetime with spin through polarization observation of X rays
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19H00696
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
郡司 修一 山形大学, 理学部, 教授 (70241685)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 恒史 広島大学, 宇宙科学センター, 准教授 (20403579)
林田 清 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (30222227)
北口 貴雄 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (30620679)
三石 郁之 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (90725863)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | X線 / 偏光 / ブラックホール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初は検出器のキャリブレーションに関する研究を行う予定だったが、コロナ禍によって予定が大きく変わり、ブラックホールの降着円盤から放出されるX線の偏光の理論計算とシミュレーションを行った。天体サイズのブラックホールからは、主に3種類のX線が観測者に届くと考えられる。一つは高温の降着円盤からダイレクトに放出されるX線である。2つ目は降着円盤から放出されるX線が高温のコロナによって散乱されて、観測者に届く成分である。最後が降着円盤と垂直方向に放射されるジェットからのX線である。その中で降着円盤からダイレクトに観測者に届くX線の偏光を測定すると、ブラックホールのスピンの情報が得られる事が予言されている。そこで研究代表者は、一般相対論を考慮し、降着円盤から放出されるX線の軌跡、偏光方向の変化、エネルギーの赤方偏移などを計算するシミュレーションプログラムをまず開発した。そしてこのプログラムを使用して、降着円盤の温度、降着円盤を観測者が見込む方向、ブラックホールのスピンの3つを変化させながら、観測されるX線のエネルギーに対して偏光度と偏光方向がどのように変化するのかを調べた。その結果、ジェット軸から大きく傾いた方向(降着円盤をすれすれから見る方向)からブラックホールを観測すると、偏光度や偏光角のエネルギー依存性が大きくなる事を確認した。またブラックホールのスピンが大きければ大きいほど、偏光度や偏光角のエネルギー依存性が強くなることも明らかにした。この結果を踏まえて、現実的に観測対象になり得るブラックホールとしてどのようなものが最適かを調べたところ、GRS 1915+105、M33 X-7、GRO J1655-40という3つの天体が最適である事を突き止めた。以上の研究成果を2021年3月の日本物理学会で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本来はアメリカで行われる検出器のキャリブレーションデータを解析する事を考えていたが、コロナ禍の影響でキャリブレーションのスケジュール自体が変わってしまった。しかしその影響はそれほど甚大ではなく、最終的に半年程度衛星の打ち上げが遅れる程度で収まった。そのため「やや遅れている」を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ブラックホールの降着円盤から放出されるX線は、一般相対論の影響を受けながら主に3つの運命をたどる。一つは放射されたX線が重力場を振り切り遠方に伝搬するが、観測者の方向に届かない場合。もう一つは放射されたX線が重力場を振り切り遠方に伝搬し、観測者のいる方向に届く場合。最後の一つは、放射されたX線が重力場によって再び降着円盤やブラックホール本体の方向に戻ってきてしまう場合である。この3番目のパターンで特に降着円盤に戻ってきてしまう場合には、本来そこで再びX線が散乱されて、観測者に届くというプロセスが存在するが(リターニング効果と呼ぶ)、現在はこの効果はシミュレーションに入っていない。そこで、今後はこの効果を取り入れたシミュレーションプログラムを開発する予定である。
また以上の効果を取り入れたシミュレーションが行えるようになったら、それをIXPEのシミュレーターに入力し、どの程度の観測時間でブラックホールのスピンを明らかにできるのか調べる事を計画している。またブラックホール候補天体には、様々なモードが存在する。例えばHigh/Softと呼ばれる状態が一番観測に向くが、いつもこの状態にあるわけではなく、またフラックスも時期によって大きく異なる。そこで、天体のフラックスがどの程度まで上昇すれば有為な観測が行えるのかもIXPEのシミュレーターを使って調べる事を計画している。
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