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2022 Fiscal Year Annual Research Report

超大規模計算と超高精度観測で解き明かすブラックホールジェットの駆動機構と多様性

Research Project

Project/Area Number 21H04488
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

大須賀 健  筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (90386508)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高橋 博之  駒澤大学, 総合教育研究部, 准教授 (80613405)
當真 賢二  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 教授 (70729011)
秦 和弘  国立天文台, 水沢VLBI観測所, 助教 (60724458)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2026-03-31
Keywordsブラックホール / ジェット / 降着円盤 / 数値シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

従来の一般相対論的輻射輸送計算もしくは一般相対論的輻射磁気流体計算では、グリッド法に基づいて輻射場を解くことが多かった。この方法では数値拡散によって輻射が広がってしまうという欠点があるため、測地線に沿って輻射輸送方程式を直に解くタイプの一般相対論的輻射輸送計算コードを開発した。輻射強度ではなく、それを立体角成分することによって得られる光子数と平均エネルギーの輸送を扱うように改良したことで、光子数と輻射エネルギーの保存が保証される。先行研究では実現できなかったもので、本研究が初の成功例である。
また、一般相対論的変更輻射輸送計算を実施して、直線偏光と円偏光の撮像イメージを計算した。結果、直線偏光を持つ放射は主に観測者に近づくジェットの下流から、円偏光を持つ放射は反対側のジェットから発生することがわかった。直線偏光放射がファラデー回転で減衰し、円偏光放射がファラデー変換で生成されることが原因である。直線偏光と円偏光の分離を定量的に示したのは本研究が世界で初めてである。
また、ブラックホール周囲の超臨界降着円盤の大局的輻射流体シミュレーションを実施した。過去の研究では、ブラックホール周囲、シュヴァルツシルト半径の数十倍程度の領域に特化したシミュレーションがほとんどであったが、それを一桁拡張したシミュレーションに成功した。降着円盤の回転軸付近に高速で低密度なアウトフローが発生し、その周囲に比較的低速で高密度なアウトフローが現れることは先行研究と同等の結果であるが、それ以外に、一度吹き出すものの円盤に戻るアウトフローが円盤の表面付近で発生することがわかった。アウトフローの強度と円盤光度の質量降着率依存性も明らかにすることができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超臨界降着円盤の研究はこれまで盛んに行われてきたものの、ブラックホールのスピンの影響、および円盤の大局的構造、ジェットの大域的伝搬についてはまだよくわかっていない。前年度までにブラックホールスピンを加味したシミュレーションにより、ブラックホールスピンがエネルギー解放効率を上昇させることを明らかにした。本年度は、超臨界降着円盤の大局シミュレーションに成功し、標準円盤の内側に広がる超臨界円盤の全体像を初めて明らかにすることができた。円盤の上空のアウトフローは、回転軸に近づくほど速度が上昇し、密度が減少するが、質量降着率が上がるほど全体的に密度が上がることがわかった。また、シミュレーションで得られた円盤やアウトフローの構造をもとにした一般相対論的輻射輸送計算で、輻射スペクトルや撮像イメージを求め、観測との比較を行うという計画も並行して進めており、その一部である電波帯での円偏光イメージと直線偏光イメージの計算に成功した。これらの成果をまとめた論文は既に出版されており(Yoshioka et al. 2022, Tsunetoe et al. 2022a, 2022b)、多くの研究会で成果発表を行った。したがって、概ね順調と判断した。

Strategy for Future Research Activity

一般相対論的輻射磁気流体シミュレーションおよび一般相対論的シミュレーションにより、高光度降着円盤から低光度降着円盤まで、そしてそこから噴出するアウトフローを網羅的に調査する。一般相対論的輻射輸送計算により、理論モデルと観測との直接比較も並行して行う。また、得られた成果をより大域的な計算に適用し、ブラックホールの成長過程や母銀河への影響を調べる。開発したコードを中性子星降着円盤にも適用し、ブラックホールと中性子星の相違について明らかにする。
具体的には、熱的な電子が存在する場合も撮像イメージやスペクトルを計算できるように一般相対論的輻射輸送計算コードを改良する。同時に、X線のスペクトルや偏光を扱えるように拡張する。また、星間空間を漂うブラックホール周囲のガスダイナミクスを調べ、ガス降着による中質量ブラックホールから巨大ブラックホールへの進化の是非を明らかにする。超臨界降着天体と考えられる超高光度X線源の正体がブラックホールであるのか中性子星であるのかを明らかにするため、超臨界ブラックホール降着流と超臨界中性子星降着流の一般相対論的輻射磁気流体シミュレーションを実施する。機械学習やGPUを用いた計算コードの効率化も行う。シミュレーションは大須賀(代表者)と髙橋(分担者)が行い 、理論モデルとの比較を當真(分担者)が行う。疑似観測の結果と実際の観測データの比較を秦(分担者)が担当する。

  • Research Products

    (25 results)

All 2023 2022

All Journal Article (18 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 18 results,  Open Access: 14 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Relativistic resistive magneto-hydrodynamics code for high-energy heavy-ion collisions2023

    • Author(s)
      Nakamura Kouki、Miyoshi Takahiro、Nonaka Chiho、Takahashi Hiroyuki R.
    • Journal Title

      The European Physical Journal C

      Volume: 83 Pages: -

    • DOI

      10.1140/epjc/s10052-023-11343-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Charge-dependent anisotropic flow in high-energy heavy-ion collisions from a relativistic resistive magneto-hydrodynamic expansion2023

    • Author(s)
      Nakamura Kouki、Miyoshi Takahiro、Nonaka Chiho、Takahashi Hiroyuki R.
    • Journal Title

      Physical Review C

      Volume: 107 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physrevc.107.034912

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Directed flow in relativistic resistive magneto-hydrodynamic expansion for symmetric and asymmetric collision systems2023

    • Author(s)
      Nakamura Kouki、Miyoshi Takahiro、Nonaka Chiho、Takahashi Hiroyuki R.
    • Journal Title

      Physical Review C

      Volume: 107 Pages: -

    • DOI

      10.1103/physrevc.107.014901

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Super-Resolved Image of M87 Observed with East Asian VLBI Network2023

    • Author(s)
      Tazaki Fumie、Cui Yuzhu、Hada Kazuhiro、Kino Motoki、Cho Ilje、Zhao Guang-Yao、Akiyama Kazunori、Mizuno Yosuke、Ro Hyunwook、Honma Mareki、Lu Ru-Sen、Shen Zhi-Qiang、Cui Lang、Yonekura Yoshinori
    • Journal Title

      Galaxies

      Volume: 11 Pages: 39~39

    • DOI

      10.3390/galaxies11020039

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] QWIND3: UV line-driven accretion disc wind models for AGN feedback2022

    • Author(s)
      Quera-Bofarull Arnau、Done Chris、Lacey Cedric G、Nomura Mariko、Ohsuga Ken
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 518 Pages: 2693~2711

    • DOI

      10.1093/mnras/stac3171

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Large-scale outflow structure and radiation properties of super-Eddington flow: Dependence on the accretion rates2022

    • Author(s)
      Yoshioka Shogo、Mineshige Shin、Ohsuga Ken、Kawashima Tomohisa、Kitaki Takaaki
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Pages: 1378~1395

    • DOI

      10.1093/pasj/psac076

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 3D photon conserving code for time-dependent general relativistic radiative transfer: CARTOON2022

    • Author(s)
      Takahashi Mikiya M、Ohsuga Ken、Takahashi Rohta、Ogawa Takumi、Umemura Masayuki、Asahina Yuta
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 517 Pages: 3711~3722

    • DOI

      10.1093/mnras/stac2822

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Diverse Polarimetric Features of AGN Jets from Various Viewing Angles: Towards a Unified View2022

    • Author(s)
      Tsunetoe Yuh、Mineshige Shin、Kawashima Tomohisa、Ohsuga Ken、Akiyama Kazunori、Takahashi Hiroyuki R.
    • Journal Title

      Galaxies

      Volume: 10 Pages: 103~103

    • DOI

      10.3390/galaxies10050103

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Component of Energy Flow from Supercritical Accretion Disks Around Rotating Stellar Mass Black Holes2022

    • Author(s)
      Utsumi Aoto、Ohsuga Ken、Takahashi Hiroyuki R.、Asahina Yuta
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 935 Pages: 26~26

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac7eb8

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Investigating the Disk-Jet Structure in M87 through Flux Separation in the Linear and Circular Polarization Images2022

    • Author(s)
      Tsunetoe Yuh、Mineshige Shin、Kawashima Tomohisa、Ohsuga Ken、Akiyama Kazunori、Takahashi Hiroyuki R.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 931 Pages: 25~25

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac66dd

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structure of the super-Eddington outflow and its impact on the cosmological scale2022

    • Author(s)
      Botella Ignacio、Mineshige Shin、Kitaki Takaaki、Ohsuga Ken、Kawashima Tomohisa
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Pages: 384~397

    • DOI

      10.1093/pasj/psac001

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] General Relativistic Radiation Magnetohydrodynamics Simulations of Black Hole Accretion Disks: Comparison of Methods Based on Variable Eddington Tensor and Based on M1 Closure2022

    • Author(s)
      Asahina Yuta、Ohsuga Ken
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 929 Pages: 93~93

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac5d37

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-energy Gamma Rays from Magnetically Arrested Disks in Nearby Radio Galaxies2022

    • Author(s)
      Kuze Riku、Kimura Shigeo S.、Toma Kenji
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 935 Pages: 159~159

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac7ec1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Magnetic Reconnection in Black Hole Magnetospheres: Lepton Loading into Jets, Superluminal Radio Blobs, and Multiwavelength Flares2022

    • Author(s)
      Kimura Shigeo S.、Toma Kenji、Noda Hirofumi、Hada Kazuhiro
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Letters

      Volume: 937 Pages: L34~L34

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac8d5a

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Photon Ring in M87*2022

    • Author(s)
      Broderick, A. E., Pesce, D. W., Gold, R., incl. Hada, K., et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 935 Pages: 61~61

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac7c1d

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way2022

    • Author(s)
      Event Horizon Telescope Collaboration (incl. Hada, K.)
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Letters

      Volume: 930 Pages: L12~L12

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac6674

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Implications from the Velocity Profile of the M87 Jet: A Possibility of a Slowly Rotating Black Hole Magnetosphere2022

    • Author(s)
      Kino Motoki、Takahashi Masaaki、Kawashima Tomohisa、Park Jongho、Hada Kazuhiro、Ro Hyunwook、Cui 崔 Yuzhu 玉竹
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 939 Pages: 83~83

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8c2f

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Collimation of the Relativistic Jet in the Quasar 3C 2732022

    • Author(s)
      Okino Hiroki、Akiyama Kazunori、Asada Keiichi、incl. Hada Kazuhiro、 et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 940 Pages: 65~65

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac97e5

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Polarized Radiative Transfer: Linking the Images and Magnetic Fields around Black Holes2023

    • Author(s)
      Y. Tsunetoe and S. Mineshige and T. Kawashima and K. Ohsuga and K. Akiyama and H.R. Takahashi
    • Organizer
      Black hole astrophysics with VLBI 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Event Horizon Telescope Observations of M872022

    • Author(s)
      秦和弘, EHT Collaboration
    • Organizer
      hysics of Relativistic Jets on All Scales, IAU-GA 2022 FM1
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Images, Radiation and Neutrino Spectra of Black Hole Accretion Flows Computed by GRRT Code RAIKOU2022

    • Author(s)
      T. Kawashima, K. Asano, K. Ohsuga, H.R. Takahashi
    • Organizer
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Radiation hydrodynamics simulations of AGN winds: comparison with observations and impact on SMBH growth2022

    • Author(s)
      M. Nomura, K. Ohsuga, Chris Done, Kazuyuki Omukai, M. Mizumoto, H. Odaka
    • Organizer
      The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting (EANAM9)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] General relativistic radiation-MHD simulations of supercritical accretion around rotating black holes2022

    • Author(s)
      A. Utsumi, K.Ohsuga, H. R. Takahashi, Y. Asahina
    • Organizer
      The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting (EANAM9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ブラックホール降着円盤 およびガス噴出流の理論;これまでの進展と今後の課題2022

    • Author(s)
      大須賀健, 他
    • Organizer
      Galaxy-IGM workshop 2022
    • Invited
  • [Presentation] 輻射磁気流体力学計算によるブラックホール近傍のプラズマ降着流・噴出流のダイナミクス2022

    • Author(s)
      朝比奈雄太, 大須賀健, 髙橋博之, 内海碧人, 井上壮大, 高橋幹弥
    • Organizer
      第152回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
    • Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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