多波長・マルチメッセンジャー・ブラックホール天文学：
ブラックホールシャドウから高エネルギーニュートリノまで

川島 朋尚(東大宇宙線研)

共同研究者 (50音順)
浅野勝晃(東大宇宙線研)
大須賀 健 (筑波大)
高橋 博之 (駒澤大)相対論的ジェット

降着流

宇宙物理・宇宙論におけるブラックホール (BH) 降着流© NASA's Goddard Space Flight Center

運動学的/輻射フィードバック→ BHと母銀河の宇宙論的共進化© NASA/WMAP

宇宙線加速
相対論的ジェット物理のアナロジー→UHECR起源の可能性, VHEγ線, → ガンマ線バースト(重力波電磁波カウ
高エネルギーニュートリノンターパート天体)の理解© Simon Swordy (U. Chicago), NASA

© NSF LIGO Sonoma State University / A. Simonnet

ブラックホール (BH) 研究の大目標(1)BH時空構造の決定(2)降着流の物理の解明(3)相対論的ジェットの形成・加速機構の解明(4) 高エネルギー宇宙線の起源の解明(1) - (4) はそれぞれが密接に関係する。
→ 一般相対論・輻射輸送・磁気流体・プラズマ微視的過程に関する包括的な理解が必要不可欠。
© NASA's Goddard Space Flight Center次世代EHT+多波長・マルチメッセンジャー観測に向けて• EHTによるBHシャドウの初観測 (EHTC2019) → BH質量の決定✓BHスピンや相対論的ジェットの形成機構解明が大きな課題✓非熱的粒子の加速・ガンマ線放射起源も依然として謎

多波長スペクトル

EHT collaboration 2019

宇宙線
ニュートリノ
時間変動
将来観測に向けて、時間変動・多波長・マルチメッセンジャーを取り入れた理論研究、新解析手法の構築が急務

RAIKOU (来光) : 一般相対論的多波長輻射輸送コード
Kawashima + 2021 submitted to ApJ Supplement•Ray-tracing 法:✓ 8次 embedded Runge-Kutta法 w/ adoptive stepsize control✓Fast-light近似(スナップショット固定のまま時間発展)と厳密時間発展を実装• 輻射過程:✓ 放射・吸収- サイクロ-シンクロトロン放射・吸収 (熱的電子)- シンクロトロン放射・吸収 (熱的+非熱的電子)- 制動放射 (熱的電子)✓ 散乱 (Monte Carlo法)- コンプトン・逆コンプトン散乱 (熱的+非熱的電子)✓ 偏光 (実装中)✓ 宇宙線・ニュートリノ

多波長スペクトル・イメージ

計算セットアップ
一般相対論的磁気流体シミュレーション+ 一般相対論的輻射輸送計算• GRMHD: 一般相対論的(輻射)磁気流体コードUWABAMIによるシミュレーション✓(Nr, Nθ, Nφ) = (192, 120, 96)✓BH スピン a=0.9375• GRRT: RAIKOUで計算✓Sgr A*のパラメータ✓視線角度: 45°✓電子温度 (R-β prescription: Moscibrodzka+2016, EHTC2019等):

Rhigh = 5, Rlow = 1✓非熱的電子on/off

非熱的電子はそのエネルギー密度が磁気エネルギー密度の3%となるように各メッシュに設定

多波長スペクトルとイメージ※磁気流体場は一般相対論的(輻射)磁気流体コードUWABAMI(Takahashi + 2016)で計算。

• Sgr A*のパラメータで熱的電子に非熱的電子(single PL)を加えたイメージ・スペクトル計算• 非熱的電子により、(i) 電波で明るい領域は拡大, (ii) X線・ガンマ線放射は増加。
• X線の起源(熱的電子逆コンプトン散乱 or 非熱的電子シンクロトロン放射)の区別は重要(加速電子の最大ローレンツ因子)だが、難しそう？

(おそらく世界初) X線シャドウ・イメージ (0.3-300keV)
X線イメージ (preliminary)

3x10-122x10-12

1x10-12230GHz(EHT周波数)• 降着流のシンクロトロン+コンプトンX線シャドウ・イメージ(非熱的電子)• 熱的電子コンプトン散乱イメージとの比較により、静穏状態の非熱的電子の最大ローレンツ因子の制限なるか？ 将来のX線干渉計(MIXIM等, 最高1rgスケール分解能)では到達可能。

時間変動

光度曲線・時間変動

130000

31000

32000

33000

34000

35000•低周波(43, 86GHz)は高周波(230, 350 GHz)に比べ、増光にタイムラグ発生•高周波は変動が大きく、短周期変動も顕著
高周波/低周波は光学的に薄い/厚いため•~100rg/c (i.e., ~5rgのdynamical time)と~1000rg/c (i.e., ~100rgのdynamical time)の変動が重なっている

観測者に届く光子の発生位置•低周波(43, 86GHz)は光学的に厚い → 主に観測者側から光子が届く•高周波(230, 350 GHz)は光学的に薄い →光線湾曲により、円盤逆サイドから寄与•5rg程度の領域で強い変動 → 光子リング形成領域とその周辺からの直接光が100rg/c程度のtimescaleの光度変動を起こしている。
視線角度(45 )

130000

31000

32000

a=0.9375でのPhoton sphereの存在範囲

33000

34000

35000

電波帯域におけるスペクトル変動
電波スペクトル

光度曲線

100110-130000

1010103100032000

33000

34000

35000

11

•3つの時期 (明るい時期・暗い時期・非常に明るい時期)の輻射スペクトル•低周波はほぼ同じ明るさ ( 光学的に厚い)。高周波のほうが、変動が大きい (光学的に薄く、BH近傍の変動が見える)•現在X線とガンマ線の変動を計算中

マルチメッセンジャー天文学へ高エネルギー・ニュートリノを含むマルチメッセンジャー計算• 高エネルギーニュートリノは宇宙線加速現場の謎を探る上での重要なメッセンジャー• しかし、IceCubeで観測されるニュートリノ放射源は未同定
AGN and/or 銀河団 and/or スターバースト銀河 and/or 低光度GRB•候補天体のニュートリノ放射特性を従来のone-zone近似を超えて定量的に明らかにすることが重要といえる。
例) AGN© IceCube collaboration‣降着流・ジェットの状態(強/弱磁化)、大局的構造

どのように‣宇宙線加速‣(微小スケール)励起乱流影響？

‣ニュートリノ光度‣ブラックホール・スピン※1zoneモデルでの降着円盤微小スケール乱流加速の先行研究：Kimura et al. (2015)等•次世代EHTでのマルチメッセンジャー天文学の展開

Blackburn + 2019

3次元一般相対論的磁気流体(GRMHD)降着流での粒子加速・ニュートリノ放射計算のための数値計算コード ν-RAIKOU (ニュー来光)を開発

相対論的宙線陽子

計算手法

宇

ジェット
降着流

(1) 3次元GRMHDデータを用いた宇宙線陽子の軌道計算• RAIKOUの測地線ソルバーでKerr時空での陽子軌道計算。
(PeV領域までに興味→ gyro長 < mesh sizeを仮定、流線に沿った伝搬計算。)•semi-MAD(中程度に磁化した降着流)のデータ(Kawashima+2021)を 使用。
[GR(R)MHDコードUWABAMI (Takahashi + 2016) を用いた。](2)宇宙線陽子SEDの時間発展計算•宇宙線陽子の注入項、乱流による拡散項、圧縮項を解く。
•拡散過程はGreen関数(Becker+2006)で時間発展を解く。
( D(ε) = Kε2 すなわちHard Sphereモデルを仮定)のデータ(3)ニュートリノSED計算
陽子・ニュートリノSED関係をテーブル化、宇宙線陽子SEDと背景陽

105104実線: 数値計算
破線: 解析解 (Asano & Meszaros 2016)]

103102101100
10-110-210-310-4100

102

104

1061081010

子密度からp-p衝突によるニュートリノSEDを計算

解析解をよく再現している

(Arbitrary unit)

テスト計算 (preliminary)•GRMHDデータを時間更新させながら、陽子軌道計算＋宇宙線陽子SED＋ニュートリノSEDの時間発展をテスト計算
15CRp trajectory

子
午面に

10-20

450-103D 宇宙線
陽子軌道

20100 y-20-10-100 10x20 -20

射影1021005410-2103-42110-810-1010-1 100

1BHzz

210宇宙線陽子SED

10-6035(Arbitrary unit)

20104

宇宙線
陽子軌道-5-100510152025R

乱流加速+圧縮の効果でTeVニュートリノ発生

101102103

104105106

107

10-1010-11

ニュートリノSED (Preliminary)

10-1210-1310-1410-15100

101102103

104105106107

まとめ• 次世代EHTや将来の多波長・マルチメッセンジャー観測に向けて、時間変動・多波長・マルチメッセンジャーをキーワードに一般相対論的MHD+輻射＋多粒子輸送計算に着手。
• (おそらく世界初の)シンクロトロン＋コンプトン散乱のX線イメージ計算。将来のX線干渉計で非熱的電子の加速に迫れるか。
• 時間変動計算ではEHTで観測される 230GHzや350GHzでは時間変動の振幅が大きく、100rg/c程度の速い変動が現れた。時間変動にBHスピンが反映されているか、今後調査。
• 一般相対論を考慮したニュートリノ計算に着手。AGNニュートリノ光度のBZパワー依存性等に迫る予定。次世代 EHTとのシナジー構築も。