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ブラックホール降着流での宇宙線加速過程とニュートリノ放射

研究課題

研究課題/領域番号 22K14028
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
研究機関東北大学

研究代表者

木村 成生  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20865795)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2026年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
キーワードブラックホール / 活動銀河核 / 宇宙線 / 宇宙ニュートリノ / 宇宙ガンマ線 / ブラックホール降着流 / 電波銀河 / 活動銀河核ジェット / 粒子加速 / 天体ニュートリノ
研究開始時の研究の概要

宇宙線はほぼ光速で地上へと降り注ぐ高エネルギーの荷電粒子であり、その生成機構と起源天体は未解明である。宇宙線起源天体の同定に有用な天体ニュートリノも2012年に検出されたが、その起源天体も未知である。これまでのデータと整合的である候補天体として活動銀河核の降着流が考えられているが、そこでの宇宙線生成過程はよくわかっていない。本研究では、磁気流体シミュレーションとテスト粒子シミュレーションを組み合わせる手法により、降着流での宇宙線生成過程を解明する。その後、降着流からのニュートリノ信号を予言し、実験・観測データとの関係を議論することで降着流がニュートリノ起源天体かどうかを明らかにする。

研究実績の概要

今年度はブラックホール降着流での宇宙線加速現象に関する数値計算を進めつつ、降着流で生じる高エネルギー放射のモデル構築を行った。
高温降着流での宇宙線加速現象に関するシミュレーションでは高解像度の乱流場を磁気流体計算により用意し、動的な乱流場中で多数の宇宙線粒子の軌道を計算し、エネルギーの変化と空間拡散係数を調べることで宇宙線粒子の実空間と運動量空間での振る舞いを調べた。その結果、宇宙線粒子は実空間と運動量空間の両方で拡散的に振る舞い、その拡散係数は過去の研究で見られた依存性と異なる依存性であることがわかった。解像度や乱流場の時間発展の設定を変更しながら宇宙線粒子の振る舞いを調べた結果、解像度と動的乱流場の両方が寄与していることがわかった。
上記の結果は短い間のテスト粒子計算で得られた結果である。宇宙線粒子の数値計算コードの並列計算をより効率化して高速化する方法に気づき、テスト計算で5倍程度高速化できることを確認した。改良したコードで計算を行えば、数倍程度長時間の粒子の運動を追うことができるようになる。
また、磁場が弱いセイファート銀河の高温コロナからハドロンシナリオで放射されるガンマ線強度とニュートリノ強度を計算し、NGC4945、Circinus Galaxy、NGC4151 からのニュートリノ放射やMeVガンマ線放射は近い将来のガンマ線観測衛星やニュートリノ実験で検出可能であることがわかった。
加えて、磁場が強い電波銀河の降着流での宇宙線加速とそれによるジェットへの質量注入過程とジェットからの放射をモデル化し、近傍の電波銀河M87の多波長放射説明することに成功した。
さらに、活動銀河核の降着円盤の中に恒星質量ブラックホールが埋もれていた場合に生じる高エネルギー放射に関して考察し、宇宙MeVガンマ線背景放射や宇宙ニュートリノ背景放射に寄与する可能性を議論した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

降着流での非熱的な高エネルギー放射に関して、セイファート銀河に関しては近傍の天体のコロナからの放射を考慮したものと、降着円盤に埋もれたブラックホールからの放射を考慮したものの2本の論文を出版することができている。高温降着流での宇宙線加速シミュレーションに関しても、磁気流体計算は完了し、テスト粒子計算の初期成果も出はじめている。コードの改良も進んでおり、近いうちに論文化の目処が立つと考えられる。

今後の研究の推進方策

まず、低光度活動銀河核で見られる磁場の弱い高温降着流での宇宙線加速シミュレーションに関して、テスト粒子計算を様々な状況で網羅的に行うことで、時期乱流場中での宇宙線粒子の振る舞いを理解し、論文として出版する。次に、セイファート銀河などで見られる降着率の高い系へと状況設定を変更してシミュレーションを行う。その後、テスト粒子計算コードを一般相対論的な効果を取り入れて拡張し、強磁場降着流での宇宙線加速現象のシミュレーションを行いたい。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (44件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 10件、 査読あり 16件、 オープンアクセス 15件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 10件、 招待講演 15件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] ペンシルベニア州立大学/コロンビア大学/ニューヨーク大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Pennsylvania State University/Columbia University/Florida University(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] One-dimensional General Relativistic Particle-in-cell Simulations of Stellar-mass Black Hole Magnetospheres: A Semianalytic Model of Gamma-Rays from Gaps2024

    • 著者名/発表者名
      Kin Koki、Kisaka Shota、Toma Kenji、Kimura Shigeo S.、Levinson Amir
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 964 号: 1 ページ: 78-78

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad20cd

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Late Engine Activity in Neutron Star Mergers and Its Cocoon: An Alternative Scenario for the Blue Kilonova2024

    • 著者名/発表者名
      Hamidani Hamid、Kimura Shigeo S.、Tanaka Masaomi、Ioka Kunihito
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 963 号: 2 ページ: 137-137

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad20d0

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Gravitational wave triggered searches for high-energy neutrinos from binary neutron star mergers: Prospects for next generation detectors2024

    • 著者名/発表者名
      Mukhopadhyay Mainak、Kimura Shigeo S.、Murase Kohta
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 109 号: 4 ページ: 043053-043053

    • DOI

      10.1103/physrevd.109.043053

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Sub-GeV Gamma Rays from Nearby Seyfert Galaxies and Implications for Coronal Neutrino Emission2024

    • 著者名/発表者名
      Murase Kohta、Karwin Christopher M.、Kimura Shigeo S.、Ajello Marco、Buson Sara
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 961 号: 2 ページ: L34-L34

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ad19c5

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A New Insight into Electron Acceleration Properties from Theoretical Modeling of Double-peaked Radio Light Curves in Core-collapse Supernovae2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka Tomoki、Kimura Shigeo S.、Maeda Keiichi、Tanaka Masaomi
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 960 号: 1 ページ: 70-70

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad096c

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] High-energy Electromagnetic, Neutrino, and Cosmic-Ray Emission by Stellar-mass Black Holes in Disks of Active Galactic Nuclei2023

    • 著者名/発表者名
      Tagawa Hiromichi、Kimura Shigeo S.、Haiman Zoltan
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 955 号: 1 ページ: 23-23

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace71d

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] High-energy Neutrino Emission Associated with Gravitational-wave Signals: Effects of Cocoon Photons and Constraints on Late-time Emission2023

    • 著者名/発表者名
      Matsui Riki、Kimura Shigeo S.、Toma Kenji、Murase Kohta
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 950 号: 2 ページ: 190-190

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acd004

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Observable Signature of Merging Stellar-mass Black Holes in Active Galactic Nuclei2023

    • 著者名/発表者名
      Tagawa Hiromichi、Kimura Shigeo S.、Haiman Zolt?n、Perna Rosalba、Bartos Imre
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 950 号: 1 ページ: 13-13

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acc4bb

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Observable Signatures of Stellar-mass Black Holes in Active Galactic Nuclei2023

    • 著者名/発表者名
      Tagawa Hiromichi、Kimura Shigeo S.、Haiman Zoltan、Perna Rosalba、Bartos Imre
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 946 号: 1 ページ: L3-L3

    • DOI

      10.3847/2041-8213/acc103

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Modeling Hadronic Gamma-Ray Emissions from Solar Flares and Prospects for Detecting Nonthermal Signatures from Protostars2023

    • 著者名/発表者名
      Kimura Shigeo S.、Takasao Shinsuke、Tomida Kengo
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 944 号: 2 ページ: 192-192

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acb649

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synchrotron Polarization of Gamma-Ray Burst Afterglow Shocks with Hydrodynamic-scale Turbulent Magnetic Field2023

    • 著者名/発表者名
      Kuwata Asuka、Toma Kenji、Kimura Shigeo S.、Tomita Sara、Shimoda Jiro
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 943 号: 2 ページ: 118-118

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acac88

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Neutrinos from the Brightest Gamma-Ray Burst?2022

    • 著者名/発表者名
      Murase Kohta、Mukhopadhyay Mainak、Kheirandish Ali、Kimura Shigeo S.、Fang Ke
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 941 号: 1 ページ: L10-L10

    • DOI

      10.3847/2041-8213/aca3ae

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cosmic-Ray Ionization Rate in Protoplanetary Disks with Sheared Magnetic Fields2022

    • 著者名/発表者名
      Fujii Yuri I.、Kimura Shigeo S.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 937 号: 2 ページ: L37-L37

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac86c2

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 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 Flares2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Interaction of a Relativistic Magnetized Collisionless Shock with a Dense Clump2022

    • 著者名/発表者名
      Tomita Sara、Ohira Yutaka、Kimura Shigeo S.、Tomida Kengo、Toma Kenji
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 936 号: 1 ページ: L9-L9

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac88be

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-energy Gamma Rays from Magnetically Arrested Disks in Nearby Radio Galaxies2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Magnetic Reconnection in Black-hole Magnetosphere2024

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      Black Hole Astrophysics with VLBI 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Galactic Black Holes as PeVatrons2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      The 1st LHAASO Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic Reconnection at Black-hole Magnetosphere2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      MR2023: Workshop on Magnetic Reconnection
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-energy neutrino emissions from the vicinity of supermassive black holes2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      38th International Cosmic Ray Conference
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Particle Acceleration in Accretion Flows and Related High-energy Signatures2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      High Energy Phenomena in Relativistic Outflows (HEPRO VIII)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Galactic Black Holes as PeVatrons and sub-PeV gamma-ray sources2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      The 32nd Texas Symposium on Relativistic Astrophysics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 宇宙ニュートリノを用いた宇宙線起源天体の探索2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ニュートリノ放射天体の理論モデル2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 宇宙高エネルギーニュートリノ背景放射の起源2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      マルチメッセンジャー天文学の展開
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 星間空間を漂う孤立ブラックホールからの高エネルギー放射2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      理論懇シンポジウム2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] High-energy Neutrino Emission from Accretion Flows2023

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Kimura
    • 学会等名
      NCfA Symposium 2023: The Path forward in Multimessenger Astrophysics
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 銀河系外宇宙線と宇宙ニュートリノの起源について2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      第六回 空気シャワー観測による宇宙線の起源探索研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ブラックホール天体での 宇宙線加速と高エネルギー放射2023

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      日本天文学会 2023年春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnetic reconnection in Black Hole Magnetospheres2023

    • 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
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] High-energy Neutrino Emission from Accretion Flows2022

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Kimura
    • 学会等名
      UNSOLVED PROBLEMS IN ASTROPHYSICS AND COSMOLOGY 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Non-thermal processes in Accretion flows2022

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Kimura
    • 学会等名
      IRCC-AFP Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Gamma-ray and neutrino emission from radiatively inefficient accretion flows2022

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Kimura
    • 学会等名
      TeV Particle Astrophysics 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ブラックホール降着流での高エネルギー現象2022

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      相対論的現象で探る宇宙の進化II
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 天体ニュートリノを用いた宇宙線起源天体の探索2022

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      宇宙線で繋ぐ文明・地球環境・太陽系・銀河
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] PFS を用いた天体高エネルギーニュートリノ追観測2022

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      PFS Community Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [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2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 太陽フレアからのガンマ線放射と原始星フレアからの非熱的放射2022

    • 著者名/発表者名
      木村成生
    • 学会等名
      第35回理論懇シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 活動銀河核からコロナ由来のガンマ線放射の兆候を発見

    • URL

      https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-1381.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 衝突するブラックホールからの新たな電磁波放射モデルを構築

    • URL

      https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-1294.html

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] ブラックホールの電波ジェットへのプラズマの供給機構を発見

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/09/press20220930-01-blackhole.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Plasma Loading Mechanism of Radio Jets

    • URL

      https://www.ti-fris.tohoku.ac.jp/en/highlights/detail---id-213.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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