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
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21H04488
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
大須賀 健 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (90386508)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 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 |
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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[Journal Article] The Photon Ring in M87*2022
Author(s)
Broderick, A. E., Pesce, D. W., Gold, R., incl. Hada, K., et al.
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 935
Pages: 61～61
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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