2021 Fiscal Year Research-status Report
Study on the foot-point structure of black hole jets and the jet driven mechanism through polarimetric transfer calculations
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20K04026
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
嶺重 慎 京都大学, 理学研究科, 教授 (70229780)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ブラックホール / 偏波 / 電波天文学 / 輻射流体力学 / 活動銀河核 / 一般相対性理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
EHT（事象の地平面望遠鏡）による、楕円銀河M87中心の巨大ブラックホールの影の初撮影画像が世界に配信され、ブラックホール研究は新しい時代を迎えた。われわれはこの好機をとらえ、(1) ブラックホールジェットの駆動機構の解明、(2) ブラックホール降着流における磁気フレアの検出可能性、(3) 高光度降着流ダイナミクスの解明に取り組んでいる。
(1)ジェット駆動機構の解明のため、一般相対論的磁気流体シミュレーションデータを用い、一般相対論的輻射輸送シミュレーション計算を実行してブラックホール近傍領域の電波放射マップおよび直線・円偏波画像を作成している。そして、それまでほとんど注目されていなかった円偏波画像こそが、ジェット根本のらせん形状磁場構造の証明に有用であること、ことに直線偏光・円偏光強度の分布が放射全強度に対してジェット下流側(外側)・上流側(根元側) にそれぞれ分離することを定量化した。事実、複数の電波観測においてその分離が示唆されている。こうして、ジェット噴出メカニズムの解明に向け大きく前進することができた。
(3)高光度降着流ダイナミクスの研究においても進展がみられた。ブラックホールが周囲に与える影響を調べるためには、ブラックホールスケールのシミュレーションと、宇宙論的シミュレーションとの間のギャップを埋める必要がある。そこで、シミュレーションボックスを内側ボックスと外側ボックスとに分割し、それぞれを精度よく計算する手法を編み出した。そしてアウトフローの伝搬を、６桁を超えるスケールに渡って追い、その構造を明らかにすることに成功した。こうして得られたアウトフローは、従来の予想に反して思いのほか強く、また非等方な構造をもっていた。当然、周囲へのインパクトも非等方的であり、その絶対値も大きくなる。今後の宇宙論的シミュレーション分野への大きな波及効果が期待できる。
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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
今年度、一般相対論的流体シミュレーションデータを用いた一般相対論的輻射輸送シミュレーションにより得られた直線偏波画像および円偏波画像から、ジェット根本の磁場構造の情報を定量的に引き出す指標を見いだすことに成功した。これには、電子温度などの不定性が、両偏波画像の比較から除去できる見通しがたったことが重要である。こうして、「偏波画像から磁場構造を得る」という目標に向けて大きく前進したといえる。
また超臨界降着シミュレーションにおいても、長年の懸案であった、ブラックホール近傍の小スケールから、数桁大きなスケールまで、アウトフロー構造を精度良く計算することに成功した。またその結果、それまでほとんど予想されていなかった非等方な構造を例証することができたことも重要といえる。
ただし、(2)時間変動効果については、データは得られたものの論文にまとめるには至っていない。とはいうものの特別の困難があったわけではなく、次年度の課題とする。また超臨界降着流の偏波画像計算も同様である。これらの結果を総合し、「おおむね順調」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
以上の結果をふまえ、以下の２点に特化して研究を進める。
１．時間依存性：近年の研究から、円盤ガスは円盤内縁からブロッブ状にちぎれて間欠的に落ち込むことが分かっている。この変動（ブラックホールフレア）の起源解明のため、以下の手順で研究を進める。第一のターゲットはM87。数日おきの観測でその変動が捉えられると期待されている。次にEHT のもう1つのターゲット、銀河系中心ブラックホールSgr A*。これは大規模ジェットは観測されていないが、持続時間数十分程度以下のフレア的な激しい時間変動を示している。これらを降着流＋（弱い）ジェットの枠組みでモデル化し、偏波イメージ変動を理論予測しておけば、将来、観測データが得られたとき、両者の比較照合により、変動性の起源を、磁場・ガス分布と時間変動、スピン効果に基づいて議論することができる。
２．多様性理解：クエーサージェットでは輻射と磁場の効果が複雑に関係しているため、一般相対論的輻射-磁気流体力学シミュレーションが不可欠である。そこで世界で初めてクエーサーの偏波イメージを計算し、定量化する。ジェットのコリメーション（特定の方向に絞られた構造）は、輻射ではなく磁場が役割を握るため、磁場がジェットの形成および加速にもたらす影響を解明する。さらに、クェーサーなど高光度活動銀河核ジェットと、M87など低光度活動銀河核ジェットそれぞれの根本の磁場構造や、ブラックホール周囲のガスダイナミクスの共通点と相違点を定量的に明らかにし、活動銀河核ジェットの統一モデルあるいは多様性モデルを構築する。
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| Causes of Carryover |
国内および海外出張を予定していたが、コロナ禍により移動が厳しく制限されたため、出張はあきらめオンライン研究打合せとしたため次年度繰越とした。なお、オンライン会合を行ったため研究推進に大きな影響はなかった。
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