| 研究課題/領域番号 |
16K05358
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| 研究機関 | 大阪市立大学 |
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研究代表者 |
石原 秀樹 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (80183739)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ブラックホール / カー時空 / ストリング / 宇宙ひも / 光の測地線 / 一般相対論 / 可積分性 |
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| 研究実績の概要 |
ブラックホールの周りを運動する粒子や光はブラックホール時空の幾何学的構造を探る探査子として最も重要なものである．また，宇宙初期に生成されたと考えられているコズミック・ストリングは，ブラックホールに束縛される可能性があり，興味深い．
1つ目の研究成果は，ブラックホールの周りでの南部‐後藤ストリングの運動の解析である．ブラックホール時空の周りを剛体回転するストリングの運動方程式は常微分方程式に帰着し，数値的に解くことができる．その結果，(i)ブラックホールのホライズンに突き刺さるストリングと，(ii)ブラックホールの周りの有界領域に束縛されるストリングの解があることがわかった．(i)は，ストリングに沿ってエネルギーと角運動量の流れが生じ，ホライズンの面積増大則を満たすものだけが許される．また，(ii)は，ストリングがブラックホールの近くに束縛される場合の配位はカオス性を示すことが明らかになった．
2つ目の研究は，最大回転カーブラックホールの周りに束縛される光についての研究成果である．シュバルツシルト ブラックホールには光の不安定円軌道があり，これらの軌道の集合は球面をなす．カー時空では，自転によりこの球面は変形されるが，2つのクラスの束縛軌道に分類されることを見出した．これらは最大回転カーブラックホールの極限で，カージオイド曲線で特徴づけられるものと，ホライズンにいくらでも近づくものである．後者は，光線束のシアーがゼロとなり，光線束が広がらないものが可能であることになる．この光線束に対応する重力レンズでは，他の場合と比べて明るい像が得られることになる．
3つ目の研究成果は，ゲージ化された2つのスカラー場の理論で，非トポロジカルなソリトン解が存在することを明らかにしたことである．このソリトンは，銀河中心にある巨大ブラックホールの起源として興味ある対象である．
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| 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
ブラックホールの周りで剛体回転する南部‐後藤ストリングには，ブラックホールのホライズンに突き刺さりピン止めされているものと，カオス的な形状で，ブラックホールの周りを周回するものがあることが明らかになった．これらは，宇宙ひもを探索するうえで，重要な手掛かりになる．
最大回転ブラックホールの周りの光の束縛軌道には，カージオイド曲線で特徴づけられる軌道とホライズンに漸近する軌道の2種類が存在することが明らかになった，特に，ホライズンに漸近する軌道は光線束が広がらないものが可能であり，その軌道に対応する重力レンズの像は明るいことが予言される．Event Horizon Telescope によるブラックホール シャドウの撮像などの観測的研究に対して，この結果は重要な意味をもつと考えられる．
また，多くの銀河中心には，巨大なブラックホールが存在していると考えられているが，それらがどのように形成されたかは，全く分かっていない．継続中の研究で，ゲージ化された2つの複素スカラー場の理論において，非トポロジカルソリトン解の存在が明らかになった．それらは，いくらでも大きなサイズの解が可能であり，巨大ブラックホール形成の起源として興味深い研究対称である．
以上のことより，本研究ではいろいろな成果が上がっており，研究はおおむね順調に進展していると言える．
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| 今後の研究の推進方策 |
ブラックホールの周りの光の束縛軌道の研究は，ブラックホール シャドウの研究に強く関連している．最大回転ブラックホールの周りの光には，ホライズンに漸近するものがあり，ホライズン近傍の幾何学的情報を運んでくると考えられる．この研究をさらに進めて，回転ブラックホールをいろいろな傾斜角から見たときにどのような像が観測されるかを予言する．
ゲージ化された2つの複素スカラー場の理論において発見された非トポロジカルソリトンの安定性，重力場を考慮したときの質量の上限，宇宙の進化の中での生成量など，実際に宇宙に存在する銀河中心のブラックホールの観測と付き合わせた研究を推進する．
これらのことは，理論的な研究と，宇宙における観測的な研究を結びつけるテーマであり，重要な研究課題である．
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