Testing General Relativity in the Strong Gravity of a Massive Black Hole

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H01900
• Research Institution: Daido University
• Principal Investigator: 斉田 浩見 大同大学, 教養部, 教授 (80367648)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 真聡 愛知教育大学, 教育学部, 教授 (30242895) ; 孝森 洋介 和歌山工業高等専門学校, 総合教育科, 准教授 (30613153)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 重力理論 / 一般相対性理論 / 銀河系中心ブラックホール / すばる望遠鏡

Outline of Annual Research Achievements

2021年度は、(1) 『星S0-2とS24の既存の観測データ』に基づいて『Parametrized-Post-Newton（PPN）形式のパラメータ値』をベイズ推定するプログラムの作成、(2) 欧米グループの観測データの新規追加があった場合への対応、(3) Sgr A*周囲の見えない質量分布の推定、(4) 次期大型望遠鏡の測定精度に対応する光の軌道の数値計算法の確立、(5) 銀河系中心のスケールにおける宇宙定数の推定法の検討、(6) 光の軌道の解析解の導出、(7) 次期大型望遠鏡と電波観測データの活用検討、の7つのうち可能なものを進める計画だった。特に(1)が本科研費の最大の目的だが、そのために2021年度は(4)と(6)をまずは達成することが重要になる。
(2)は欧米グループの新規公開データが無かったので保留。(3)は分担者の担当であるが、見えない物質分布を含む時空モデルは構成できた。そして、そのモデルと観測データの間のカイ自乗フィッティング計算プログラム開発の途中である。また、(5)は取り組む時間的余裕がなかった。
(4),(6)は完遂した。(6)の解析解は1次の post-Minkowski 摂動までの解析解を構成したが、これは次期大型望遠鏡の測定精度に対応する解析解である。この解析解を利用して(4)の数値計算が可能になった。この進展を踏まえて、(1)のプログラム開発が途中である。
(7)は、電波天文グループとも議論の機会を作り、検討中である。
なお、(1)のプログラム開発のため、天文データに対するデータサイエンス利用の専門家の協力を得られるようになった。この研究協力による検討を踏まえて、(1)の数値プログラムは『階層ベイズ推定』の手法を採用することとした。現在、階層ベイズ推定によるPPNパラメータ推定の数値プログラムを開発中である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

次の理由がある。
１．2021年度の途中で、本科研費で雇用していた研究員が急遽、民間企業に就職を決めた。そのため研究進展が遅れた。
２．新たな研究協力者を得たものの、これまでの研究経過の共有など、本格的な研究を始める前の準備段階の時間が必要となった。特に、2021年度はまだコロナ禍による対面出張の自粛が続いており、研究打ち合わせでの意思疎通に時間が掛かるなどの制約もあった。
３．暗くて見えていない質量分布の推定は、時空モデルは作れたものの、数値計算プログラムの開発に遅れが見られる。
以上の理由から、満足できるような研究進展があったとは思われず、やや遅れている、と判断した。

Strategy for Future Research Activity

PPN形式のパラメータ推定をカイ自乗フィッティングで実行した結果を論文化する。なお、この結果は統計的に有意ではないので、ベイズ統計などに基づいた詳しい統計解析が必要となる。そこで、研究協力者（データサイエンスの専門家とその大学院生）の協力を得て、PPN形式のパラメータ推定のための『階層ベイズ推定』の計算プログラムを開発する。
暗くて見えない質量分布の推定を進める。これは主に研究分担者が進める。必要に応じて研究打ち合わせをおこない、上記のPPN形式の研究テーマとも数値計算上の知見を共有して、効率的に研究を進めていく。
次期大型望遠鏡による研究展開の方向性も検討する。また、電波観測データの活用も検討するが、電波観測データの取り扱いは分担研究者が主に担う。電波観測で銀河系中心ブラックホールを研究しているグループとも議論し、私たちの赤外線観測に基づく研究と融合した新たな研究展開の可能性を検討する。

Research Products

• [Journal Article] Testing the non-circularity of the spacetime around Sagittarius A* with orbiting pulsars (2022)
  • Author(s): Takamori Yohsuke、Naruko Atsushi、Sakurai Yusuke、Takahashi Keitaro、Yamauchi Daisuke、Yoo Chul-Moon
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Pages: S217～S231
  • DOI: 10.1093/pasj/psac003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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: id.064018(10)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.105.064018
  • Peer Reviewed
• [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: id.103004(17)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.104.103004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detecting General Relativistic Effect of a Star Orbiting Sgr A* using Subaru Telescope (2021)
  • Author(s): 斉田浩見、西山正吾、すばる望遠鏡プロポーザル構成員
  • Journal Title: ASP Conference Series: Proceedings of a workshop, New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 265-267
• [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: ASP Conference Series: Proceedings of a workshop, New Horizons in Galactic Center Astronomy and Beyond Volume: 528 Pages: 249-254
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力場でのPPNテスト2 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [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年春季大会
• [Presentation] 銀河系中心巨大ブラックホールの強重力場による重力理論の検証 (2022)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2022
• [Presentation] ブラックホール磁気圏中の磁気音速の伝播 (2022)
  • Author(s): 高橋真聡
  • Organizer: ブラックホール磁気圏研究会2022
• [Presentation] Test of Non-circular Black Hole with Pulsars orbiting aroud Sgr A* (2021)
  • Author(s): 孝森洋介
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 銀河系中心ブラックホールを周回する星の測定データに基づく重力理論の検証：PPNアプローチ (2021)
  • Author(s): 斉田浩見
  • Organizer: SKA日本チーム、中性子星・ブラックホール・重力理論 研究会
  • Invited
• [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/