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偏光画像の理論予測で探る、ブラックホール直近領域のジェット駆動磁場ープラズマ構造(Tsunetoe et al. 2021b in prep.)
M87*理論予測イメージ

恒任 優 (京都⼤学)
Yuh Tsunetoe
共同研究者：嶺重 慎
川島 朋尚
⼤須賀 健
秋⼭ 和徳
2021/10/19 東⼤宇宙線研 研究会“⾼エネルギー現象で探る宇宙の多様性Ⅰ”
⾼橋 博之

(京都⼤)
(東京⼤)
(筑波⼤)
(MIT Haystack)
(駒澤⼤)

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ブラックホール直近領域の観測実現• Event Horizon Telescope (EHT): 超⼤質量ブラックホールM87*を初観測 (2019)• 引き続いて、直線偏光マップを発表 (2021)→揃ったベクトル構造：磁場構造を反映
ØM87*：ブラックホール直近領域〜M87ジェットの最も根元の部分
この領域の磁場構造を詳しく調べれば、活動銀河核ジェットの⽣成・駆動機構がわかる！！
M87ジェット直線偏光マップ@43GHz(EHTC 2019&2021)(Walker+2018)3/22

理論モデルに基づいた偏光画像予測• 活動銀河核ジェットの理論モデル：解析解／流体計算
近年では、⼤規模計算による⼀般相対論的磁気流体⼒学(GRMHD)モデル
ポストプロセスで…

Our work• 偏光の⼀般相対論的輻射輸送計算コードを開発し、モデルを実装• 様々なモデルパラメータに基づいた偏光イメージを予測→実観測との⽐較から妥当なモデルを検証し、ジェットを駆動する磁場構造を解明！

輻射輸送⽅程式：• ストークスパラメータ 𝑰
輻射(全)強度𝐼
𝑄
直線偏光成分(LP)𝑰=𝑈𝑉
円偏光成分 (CP)d
𝑰 = 𝒋 − 𝑲𝑰d𝜆4/22• シンクロトロン放射率 𝒋𝑗!
直線偏光が⽀配的𝑗"𝒋=(~70%)𝑗#𝑗$
円偏光は微弱(<1%)• 輻射輸送⾏列 𝑲

直線偏光ベクトルのFaraday回転

𝛼!
𝛼"
𝑲= 𝛼
#
𝛼$

𝛼"
𝛼!
−𝜌$−𝜌#

シンクロトロン
⾃⼰吸収𝛼#
𝜌$𝛼!
−𝜌"

𝛼$
𝜌#
𝜌"
𝛼!

直線偏光↔円偏光のFaraday“変換”

本研究の着眼点• これまで活動銀河核ジェットについては直線偏光だけが注⽬されてきたが…
• ブラックホール付近ではFaraday変換で円偏光も増幅する可能性• これら2種類の偏光を統⼀的に捉え、関係を探る！

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これまでの知⾒：Faraday回転・変換の効果• ブラックホール付近からの偏光成分は複雑な輸送プロセスを辿る- 直線偏光ベクトル：降着流でFaraday回転を受け、かき乱される (e.g., Moscibrodzka+2017; YT+2020)- 円偏光：⾼温領域で直線偏光からのFaraday変換が起こり、増幅する (e.g., YT+2020,2021a; Ricarte+2021)

Ø直線偏光・円偏光成分の関係から、基にある磁場ープラズマ構造を調べる
部分的に乱れた直線偏光ベクトル(Moscibrodzka et al. 2017)

増幅された円偏光成分(YT et al. 2020)

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M87ジェットの理論モデル• 川島朋尚⽒(宇宙線研)による3D-GRMHD計算：中庸的な磁場強度とジェット
MAD(Magne)cally Arrested Disk)とSANE(Standard And Normal Evolu)on)の中間→ “semi-MAD”：EHTC2021では考えていなかった範囲のモデル

プラズマ密度分布(𝜎 < 1の領域のみ)

磁化𝜎(磁気／静⽌エネルギー⽐)

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電⼦温度の決定式• 電⼦温度：陽⼦温度に基づいて次の式から決定：
プラズマ𝛽＝ガス圧／磁気圧⽐：円盤で⼤↔ジェットで⼩(Moscibrodzka et al. 2016)• 𝑅%&'% = 25, 𝑅()* = 1：低温円盤と⾼温ジェット→ジェットからの放射が⽀配的" #無次元電⼦温度𝜃! ≡ $! %"# (𝜎 < 1の領域のみ)"

シンクロトロン放射率の⾒積もり

𝑗!

𝜎<1

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230GHz偏光イメージ• 傾斜⾓𝑖 = 160°：下側に延びたジェット• 輻射強度イメージ：photon ring＋仄暗いジェット成分• 直線偏光マップ：乱れたベクトル分布←円盤でのFaraday回転• 円偏光イメージ：増幅した正符号のリング←揃った磁場によるFaraday変換
ü YT et al. 2020(軸対称モデル)とconsistentな結果
輻射強度イメージ

直線偏光マップ

円偏光イメージ

Approaching jet

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230GHz模擬観測イメージ• EHT観測を念頭に、17uasのビームで模擬観測• 輻射強度イメージ：左右⾮対称なリング構造、ジェットの痕跡なし• 直線偏光マップ：偏光度は低い(10 − 20%)が、揃ったベクトル構造• 円偏光イメージ：やはり⾮対称で、正のリング構造
輻射強度イメージ

直線偏光マップ

円偏光イメージ

Approaching jet10/22

3種類の輻射の位置関係• 3つのイメージ上の強度分布に注⽬する• 直線偏光は輻射全強度に⽐べイメージの下側↓に分布する⼀⽅、円偏光はイメージの上側↑に分布しているように⾒える• この傾向を定量化して詳しく調べたい輻射強度イメージ

直線偏光マップ

円偏光イメージ11/22

偏光イメージの相関関係解析• 輻射全強度(Stokes 𝐼)との相関関数：
ここで(𝑥& , 𝑦. )はイメージ上のピクセルで、𝑆 = 𝐼, 𝑃 =𝑄/ + 𝑈/, |𝑉|• 𝐼 − 𝐼は輻射全強度の⾃⼰相関関数、
𝐼 − 𝑃 (𝐼 − |𝑉|)は全強度と直線偏光(円偏光)強度との相互相関関数
⾃⼰／相互相関関数のマップ（⽩⼗字は原点）

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偏光イメージの相関関係解析• 相関関数のピーク：2つの輻射の空間的な隔たり• 𝐼 − 𝐼：定義により(0,0)にピーク、 縦に伸びた形状(~⾮対称なリング構造)• 𝐼 − 𝑃：下側↓にピーク → 直線偏光は全強度に⽐べて下側に分布• 𝐼 − |𝑉|：上側↑にピーク → 円偏光は全強度に⽐べて上側に分布
⾃⼰／相互相関関数のマップ（⽩⼗字は原点）

13/22相関関数のジェットに沿ったプロファイル• 相関関数のΔ𝑦-(縦⽅向＝ジェットに沿った向きの)プロファイル• 縦⽅向のピーク：𝐼 − 𝑃について-8uas、 𝐼 − |𝑉|について+2uas• ジェットの⽅向について、直線偏光は8uas下向きに、円偏光は2uas上向きに分布している

downstream upstreamØ ジェット下流に直線偏光/ ジェット上流に円偏光

偏光成分の“分離”についての解釈• なぜイメージ上で直線偏光・円偏光成分が分離するのか？
Ø円盤中でのFaraday回転とFaraday変換• 上流からの直線偏光：円盤中でFaraday回転を受け、揃った構造を失う→ジェット下流からの成分がイメージ上で⽀配的に• 円偏光成分：ブラックホール付近でのみFaraday変換が起こる→ジェット上流、根元付近からの寄与が⽀配的

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低振動数86GHzでの偏光イメージ• 86GHzでの偏光イメージを、45uasのビームで模擬観測(グローバルVLBIを念頭)• 230GHzと似た、更に顕著な傾向: 下側の直線偏光と上側の円偏光• 円偏光イメージに横⽅向の符号変化：らせん形状磁場を反映(詳細はYT+2021a)

輻射強度イメージ

直線偏光マップ

円偏光イメージ16/22

低振動数86GHzでのジェット⽅向の相関• 86GHzイメージについて同様にジェットに沿った⽅向のプロファイル• ピーク： 𝐼 − 𝑃について-25uas、𝐼 − |𝑉|について+17uas• 直線偏光：よりジェット下流側、円偏光：よりジェット上流側に分布y⽅向(ジェット⽅向)の相関関数プロファイル

downstream upstream

17/22多振動数帯における偏光成分の分離• ジェットに沿った相関関数のピークの振動数依存性を⾒る• 偏光成分の分離は、低振動数になるほど⼤きくなる• ただし、43GHzでの𝐼 − |𝑉|に例外的なふるまい(分離が抑制)18/22偏光成分の分離の統⼀描像• 振動数依存性：低振動数でより⼤きく分離するØFaraday回転／変換：低振動数側で⼤きい(∝ ν0/, ν01) (Picture [A] → [B])
• では、43GHzでの例外(全強度と円偏光が接近)は？
Ø更に低い振動数帯では、シンクロトロン⾃⼰吸収が効いてくる→放射は光球⾯から：直線偏光は回転するが円偏光はそのまま (Picture [C])

19/22偏光成分の分離の統⼀描像• 振動数依存性：低振動数でより⼤きく分離するØFaraday回転／変換：低振動数側で⼤きい(∝ ν0/, ν01) (Picture [A] → [B])
• では、43GHzでの例外(全強度と円偏光が接近)は？
Ø更に低い振動数帯では、シンクロトロン⾃⼰吸収が効いてくる→放射は光球⾯から：直線偏光は回転するが円偏光はそのまま (Picture [C])

Ø 偏光成分間の分離から、プラズマ特性を探査可能！

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実観測との⽐較@230GHzjet
gniachorp
Ap• 2017年EHT観測での直線偏光マップ(EHTC2021)：
ü 偏光度~15%、動径成分と⽅位⾓成分が混じったパターン：縦⽅向の磁場成分
ü 直線偏光強度は⼀貫してリングの右下で強い↔リングの下半分全体で明るい輻射全強度とは対照的

Øつまり、直線偏光はジェット下流側にシフトしている：
我々の理論予測とconsistentな結果！！

g jetnihroacppA(EHTC 2021)

実観測との⽐較@低振動数側86 & 43GHz

21/22• より外側のM87ジェットの直線偏光マップ• 直線偏光は複数の観測で⼀貫してジェット下流側(画像右側)で明るい
やはり我々の予測とconsistent！
• 分離の距離は50-100uas@86GHz、100-200uas@43GHzと⼤きめ• 現状の観測ビームは我々の仮定より⼤きい → 将来観測から制限が可能！
Hada+ 2016, @86GHz

Walker+ 2018, @43GHz

Kravchenko+ 2020, @43GHz

22/22まとめ (詳細はYT et al. 2021b in prep.)• 理論偏光イメージから、全強度と直線偏光、円偏光成分の間の分離を予測
これらはFaraday効果によるもので、低振動数側でより強くなる• 更に低い振動数帯ではシンクロトロン⾃⼰吸収も効いてきて、光球⾯により分離が抑制される• 分離の程度はモデルのパラメータによって機微に変わるので、ブラックホール付近／ジェット根元のプラズマ特性を探査できる