最新の超高解像度電波観測データを使ったブラックホールジェット駆動理論の検証

• 研究課題/領域番号: 18H01245
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 當真 賢二 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 准教授 (70729011)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2020年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: ブラックホール / 宇宙ジェット / 活動銀河 / VLBI観測 / PICシミュレーション / MHDシミュレーション

研究成果の概要

ブラックホールジェットの高解像度電波観測結果を利用して、ジェット中の電子の空間分布を推定するという独自の研究を行った。一般相対論的プラズマ粒子シミュレーションを実行し、ギャップ電場による電子陽電子対生成ではジェット中の電子の量を説明できないことを明らかにした。一方で、赤道面で間欠的に起こる磁気リコネクションで十分な量の電子陽電子が生成できることを示した。これは本研究の目的であり長年の謎であったジェット中の粒子起源についての初めての理論的枠組みといえる。他にもEHT Collaborationに参加し、M87ブラックホール影撮像の理論解釈に貢献するなど、非常に実り多い結果となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光さえも出てこられない領域であるブラックホールがいかにしてジェット（噴出流）を駆動するのか？という学術的な基本的問題を観測的に検証するためのステップとして、ジェット中の粒子生成の理論的枠組みを構築することに成功した。また、EHTチームでの共同研究を通して、国籍の違いを越えた協力で一つの目標に到達できることを示せたことは社会的意義を持つ。

研究成果

• [国際共同研究] MIT/University of Illinois/University of Waterloo(米国)
• [国際共同研究] Tel Aviv University(イスラエル)
• [国際共同研究] ASIAA/National Central University(その他の国・地域 台湾)
• [国際共同研究] MIT/University of Illinois/University of Waterloo(米国)
• [国際共同研究] Tel Aviv University(イスラエル)
• [国際共同研究] ASIAA/National Central University(その他の国・地域 台湾)
• [国際共同研究] MIT/University of Illinois/University of Waterloo(米国)
• [国際共同研究] ASIAA/National Central University(その他の国・地域 台湾)
• [国際共同研究] ASIAA(その他の国・地域 台湾)
• [国際共同研究] MIT/University of Illinois/University of Waterloo(米国)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [雑誌論文] The Response of Black Hole Spark Gaps to External Changes: A Production Mechanism of Rapid TeV Flares? (2022)
  • 著者名/発表者名: Kisaka Shota、Levinson Amir、Toma Kenji、Niv Idan
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 924 号: 1 ページ: 28-28
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac35da
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-energy Gamma Rays from Magnetically Arrested Disks in Nearby Radio Galaxies (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuze Riku、Kimura Shigeo S.、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 935 号: 2 ページ: 159-159
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7ec1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Reconnection in Black Hole Magnetospheres: Lepton Loading into Jets, Superluminal Radio Blobs, and Multiwavelength Flares (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Shigeo S.、Toma Kenji、Noda Hirofumi、Hada Kazuhiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 937 号: 2 ページ: L34-L34
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac8d5a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Backreaction of mass and angular momentum accretion on black holes: General formulation of metric perturbations and application to the Blandford-Znajek process (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Masashi、Harada Tomohiro、Naruko Atsushi、Toma Kenji
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 号: 9 ページ: 1-26
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Jet-bases Emission Model of the EHT2017 Image of M87* (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Tomohisa、Toma Kenji、Kino Motoki、Akiyama Kazunori、Nakamura Masanori、Moriyama Kotaro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 909 号: 2 ページ: 168-168
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd5bb
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Matter Density Distribution of General Relativistic Highly Magnetized Jets Driven by Black Holes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogihara Taiki、Ogawa Takumi、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 911 号: 1 ページ: 34-34
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe61b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comprehensive Analysis of Magnetospheric Gaps around Kerr Black Holes Using 1D GRPIC Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Kisaka Shota、Levinson Amir、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 902 号: 1 ページ: 80-80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abb46c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing Particle Acceleration through Broadband Early Afterglow Emission of MAGIC Gamma-Ray Burst GRB 190114C (2020)
  • 著者名/発表者名: Asano Katsuaki、Murase Kohta、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 905 号: 2 ページ: 105-105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abc82c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hadronic High-energy Emission from Magnetically Arrested Disks in Radio Galaxies (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Shigeo S.、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 905 号: 2 ページ: 178-178
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abc343
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient acceleration of cylindrical jets: effects of radiative cooling and tangled magnetic field (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J、Toma Kenji
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 494 号: 1 ページ: 338-348
  • DOI: 10.1093/mnras/staa728
  • 査読あり
• [雑誌論文] First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole (2019)
  • 著者名/発表者名: The Event Horizon Telescope Collaboration、Kawashima Tomohisa、 et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 875 号: 1 ページ: L1-L1
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab0ec7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring (2019)
  • 著者名/発表者名: The Event Horizon Telescope Collaboration、Kawashima Tomohisa、 et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 875 号: 1 ページ: L5-L5
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab0f43
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Mechanism for the Triple-ridge Emission Structure of AGN Jets (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogihara Taiki、Takahashi Kazuya、Toma Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 877 号: 1 ページ: 19-19
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab1909
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hunting Axion Dark Matter with Protoplanetary Disk Polarimetry (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Tazaki Ryo、Toma Kenji
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 122 号: 19 ページ: 191101-191101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.191101
  • 査読あり
• [雑誌論文] ALMA Polarimetry of AT2018cow (2019)
  • 著者名/発表者名: Huang Kuiyun、Shimoda Jiro、Urata Yuji、Toma Kenji、Yamaoka Kazutaka、Asada Keiichi、Nagai Hiroshi、Takahashi Satoko、Petitpas Glen、Tashiro Makoto
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 878 号: 1 ページ: L25-L25
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab23fd
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First Detection of Radio Linear Polarization in a Gamma-Ray Burst Afterglow (2019)
  • 著者名/発表者名: Urata Yuji、Toma Kenji、Huang Kuiyun、Asada Keiichi、Nagai Hiroshi、Takahashi Satoko、Petitpas Glen、Tashiro Makoto、Yamaoka Kazutaka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 884 号: 2 ページ: L58-L58
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab48f3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Parabolic Jets from the Spinning Black Hole in M87 (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Masanori、Asada Keiichi、Hada Kazuhiro、Pu Hung-Yi、Noble Scott、Tseng Chihyin、Toma Kenji、Kino Motoki et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 868 号: 2 ページ: 146-146
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaeb2d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The origin of polarization in kilonovae and the case of the gravitational-wave counterpart AT 2017gfo (2018)
  • 著者名/発表者名: Bulla M. , Covino S. , Kyutoku K. , Tanaka M. , Maund J. R. , Patat F. , Toma K. , Wiersema K. , Bruten J. , Jin Z. P. , et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 1 ページ: 99106-99106
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0593-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] High-energy Neutrino Emission from Accretion Flows (2023)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Kimura
  • 学会等名: NCfA Symposium 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic reconnection in Black Hole Magnetospheres (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村成生
  • 学会等名: ブラックホールジェット・降着円盤・円盤風研究会2023
  • 招待講演
• [学会発表] AGNジェットの粒子の起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会
• [学会発表] ブラックホールジェットの地平面近傍の電波放射機構：Sgr A*で見えない理由 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村成生
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] Blandford-Znajek過程における時空の時間変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] 相対論的ジェットの駆動・加速・放射の基礎理論と諸問題 (2022)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二
  • 学会等名: ブラックホールジェット・降着円盤・円盤風研究会2022
  • 招待講演
• [学会発表] Hadronic emission in disk and pair-creation gap in jet (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: Polarized Radiation near Supermassive Black Holes
  • 国際学会
• [学会発表] Emission from Black Hole Jets (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: Extreme Outflows in Astrophysical Transients
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Polarimetric Studies of GRBs, AGN Jets, and Axion Dark Matter (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: IAU Symposium 360: Astronomical Polarimetry 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 粒子シミュレーションで探るブラックホール磁気圏での電磁カスケード現象 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木坂将大
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] 活動銀河核ジェットにおける一般相対論的理想電磁流体近似解の構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荻原大樹
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] 電波銀河研究の新展開：強磁場降着流からのガンマ線とニュートリノ (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村成生
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] M87 black hole shadow image and its connection with the radio jet (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: High Energy Astrophysics Japan Israel Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GRB polarization: an overview (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: Gamma-Ray Bursts in the Gravitational Wave Era
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent Topics in High Energy Astrophysics (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: 14th Asia-Pacific Physics Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ブラックホールジェット研究の新展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二
  • 学会等名: 第49回天文・天体物理若手夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] EHTによるM87*の観測成果 V: 非対称リング放射構造の理論的解釈 (2019)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二、他EHT Collaboration
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
• [学会発表] Formation and dissipation mechanisms of AGN jets (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: Jet and Shock Breakouts in Cosmic Transients
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GRB prompt emission polarization: an overview (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toma
  • 学会等名: Shedding new light on gamma-ray bursts with polarization data
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] AGN jet physics on the horizon scale (2018)
  • 著者名/発表者名: 當真賢二
  • 学会等名: 宇宙線研究所共同利用小研究会「高エネルギー天体現象の多様性」
  • 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] Active Galactic Nucleus Jets in the Event Horizon Telescope Era (2020)