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2016 年度 実施状況報告書

3次元輻射磁気流体力学計算による多種多様なブラックホール噴出流の統合理論の構築

研究課題

研究課題/領域番号 15K05036
研究機関国立天文台

研究代表者

大須賀 健  国立天文台, 理論研究部, 助教 (90386508)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードブラックホール / ジェット / アウトフロー / 数値シミュレーション
研究実績の概要

ブラックホールの周辺には降着円盤が存在し、そこから強力なジェットと円盤風が噴出している。これらは、噴出位置や噴出メカニズムが異なることが考えられる。そこで、多岐にわたるガス噴出流を多次元シミュレーションで調べる研究を一貫して進めている。
本年度は、ブラックホール周囲の降着円盤およびジェットの一般相対論的輻射磁気流体力学シミュレーションを行った。その結果、ブラックホールの自転のエネルギーの引き抜きによって強力なジェットが噴出するばかりか、ブラックホール周辺のガス温度が上昇することがわかった。これにより、硬X線の起源を説明できる可能性がある。
また、中性子星極冠への柱状のガス降着のシミュレーションも行った。降着柱でもエディントン光度を超えることが可能であることがわかった。また、中性子星の磁軸と自転軸がずれている場合は、このモデルでパルスを説明できることもわかった。昨今、ブラックホール天体と思われていた超光度X線源にパルスが見つかり、中心天体が中性子星であることが判明したが、まさにこの超光度X線源のパルスを再現できる理論モデルを構築したことになる。
円盤風のシミュレーションも行った。金属元素の束縛―束縛遷移吸収で加速されてガスが噴き出すというラインフォース駆動型円盤風を、輻射流体シミュレーションで再現し、円盤風のパワーと、発射源である降着円盤の光度との相関を調べた。結果、観測されている相関関係を見事に説明することに成功した。これは、数ある円盤風モデルの中でも、ラインフォース駆動型円盤風が実際に存在することの傍証である。

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

昨年度から行っていた輻射磁気流体力学シミュレーションコードを、一般相対論バージョンへと拡張することに成功し、コードのチューニングも順調に終了した。これにより、いよいよブラックホール時空中での減少を調べることが可能となり、実際に成果を出すことができた。また、中性子星とブラックホールの違いも歴史的な大問題であるが、これに対してもより現実的に研究を進める目処が立った。
また、円盤風のシミュレーションにおいても、理論的な発展があったおかげで観測と比較できるレベルまで到達した。実際に、円盤光度と円盤風の質量、運度量、エネルギーの相関について理論モデルと観測結果を比較したところ、見事に一致させることができた。理論と観測との比較による研究ができるところまでシミュレーションのレベルを上げることができたのは大きな成果である。
ブラックホール天体と思われていた超光度X線源にパルスが見つかったことで、これまでの研究が根本から見直すことが必要となった。しかし、ブラックホールの研究で培ったシミュレーションコードを、速やかに中性子星版へ修正することができたため、大きな成果を上げ、結果をプレスリリースすることができた。

今後の研究の推進方策

今後は、ブラックホールと並行して中性子星周囲の現象も詳しく調べる計画である。中性子星はブラックホールと違って硬い表面があり、しかも、強い磁場を持っていることが頻繁である。このため、ブラックホールよりも研究が難しい。これまで作成したブラックホール用の一般相対性論的輻射磁気流体シミュレーションコードを、中性子星用に改良して研究を進める予定である。改良は順調に進んでおり、最後のテスト段階にある。
また、より厳密な一般相対論コードの開発も進める。これまで培ってきた輻射磁気流体コードは、輻射輸送方程式を直接解かず、立体角積分した輻射モーメント式だけを扱っていた。この手法では正しい輻射場が得られない場合があり、最終結論を出すことができなかった。そこで、厳密な輻射磁気流体コードを開発するのである。特殊相対論版が無事に完成しているので、今度は一般相対論版へと拡張する計画である。といっても、ガスと輻射の相互作用はブラックホール時空であっても同様に扱えるので、必要なアップデートは光の伝搬部分だけである。
また、輻射スペクトル計算を行うためのコードも完成しつつあるので、理論的に作り上げた輻射スペクトルと観測データを直に比較し、理論モデルの検証を行っていく計画である。

次年度使用額が生じた理由

京都大学の共同研究者と年度末に研究打ち合わせを予定していたが、日程の調整がつかずに延期となった。数値シミュレーションコードの改良が目的であり、これには直接会って作業する必要があるので、テレビ会議等での代用は不可能である。したがって、2017年度の早い時期に予定していた研究打ち合わせを実施する計画である。

次年度使用額の使用計画

数値シミュレーションコードの改良作業のための研究打ち合わせを、2017年度の5月、もしくは6月に予定している。これは年度末に予定していた研究打ち合わせが延期となったためである。年度が変わったために次年度使用となったが、研究計画に変更はない。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Line-driven disc wind model for ultrafast outflows in active galactic nuclei - scaling with luminosity2017

    • 著者名/発表者名
      Nomura, M., Ohsuga, K
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 465 ページ: 2873-2879

    • DOI

      10.1093/mnras/stw2877

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A radiation-hydrodynamics model of accretion columns for ultra-luminous X-ray pulsars2016

    • 著者名/発表者名
      Kawashima, T., Mineshige, S., Ohsuga, K., Ogawa, T
    • 雑誌名

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      巻: 68 ページ: 83-89

    • DOI

      10.1093/pasj/psw075

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Formation of Overheated Regions and Truncated Disks around Black Holes: Three-dimensional General Relativistic Radiation-magnetohydrodynamics Simulations2016

    • 著者名/発表者名
      Takahashi, H. R., Ohsuga, K., Kawashima, T., Sekiguchi, Y.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 826 ページ: 23-31

    • DOI

      10.3847/0004-637X/826/1/23

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 超新星残骸W44超高速度成分の磁気流体シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      野村真理子, 岡朋治, 山田真也, 竹川俊也, 大須賀健, 高橋博之, 朝比奈雄太
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 自己無矛盾なラインフォース駆動型円盤風モデルの構築2017

    • 著者名/発表者名
      野村真理子, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 超臨界降着流のラインスペクトルの輻射輸送計算2017

    • 著者名/発表者名
      北木孝明, 嶺重慎, 小高裕和, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] ブラックホールへ落下するスパイラルガス雲の運動と放射特性2017

    • 著者名/発表者名
      森山小太郎, 嶺重慎, 高橋博之, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会春季年会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 強磁場中性子星の超臨界降着柱の構造2017

    • 著者名/発表者名
      川島朋尚, 嶺重慎, 大須賀健, 小川拓未
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 双極子磁場を持つ中性子星への超臨界降着の一般相対論的輻射磁気流体シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      高橋博之, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 磁気張力による活動銀河核アウトフローのフィードバック効率の上昇2017

    • 著者名/発表者名
      朝比奈雄太, 野村真理子, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-18
  • [学会発表] 超臨界降着による巨大ブラックホールの成長について2016

    • 著者名/発表者名
      大須賀健
    • 学会等名
      超巨大ブラックホール研究推進連絡会
    • 発表場所
      東京大学天文教育センター(東京都三鷹市)
    • 年月日
      2016-12-09 – 2016-12-10
    • 招待講演
  • [学会発表] Theory of Ultra luminous X-ray sources2016

    • 著者名/発表者名
      Ohsuga, K.
    • 学会等名
      Breaking the Limits: Super-Eddington Accretion on Compact Objects
    • 発表場所
      Sardinia, Italy
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-23
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2次元輻射流体計算から迫る、宇宙初期の超大質量ブラックホールの起源2016

    • 著者名/発表者名
      竹尾英俊, 嶺重慎, 大須賀健, 高橋博之, 稲吉恒平
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      愛媛大学(愛媛県・松山市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-16
  • [学会発表] ULSとULXの統合モデル2016

    • 著者名/発表者名
      小川拓未, 嶺重慎, 川島朋尚, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      愛媛大学(愛媛県・松山市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-16
  • [学会発表] 活動銀河核アウトフローによる星間ガスへのフィードバックの磁気流体計算2016

    • 著者名/発表者名
      朝比奈雄太, 野村真理子, 大須賀健
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      愛媛大学(愛媛県・松山市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-16
  • [学会発表] 強磁場中性子星極冠への超臨界降着柱の輻射流体シミュレーション:ULXパルサーへの応用2016

    • 著者名/発表者名
      川島朋尚, 嶺重慎, 大須賀健, 小川拓未
    • 学会等名
      日本天文学会
    • 発表場所
      愛媛大学(愛媛県・松山市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-16

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公開日: 2018-01-16  

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