AGNジェット研究の最前線
きのもとき

紀 基樹
(国立天文台VSOP-2推進室)
第９回高宇連研究会、愛媛大(16th Jan 2009)

AGN (ジェット)の研究• AGNジェットの物理自体• AGNフィードバック• 宇宙論研究の道具• 一般相対性理論の実験場目次
イントロ：基本の復習
進展と問題点- バルク加速- プラズマ組成- 最高宇宙線- エンジン理論
展望-VLBI天文学の潮流
まとめ

相対論的ジェットをどうやって作る?
e+
γ

ep

B
e-

中心エンジン＝
巨大ブラックホール＆ 流入流

AGNジェットの基礎：マクロな視点
周辺物質

シェル

相対論的ジェット

コクーン

ホットスポットエンジン

エジェクタは赤色
周辺物質は桃色
ブラックホールエンジ
ンによる相対ジェットの形成（難問）
衝撃波 （マクロ）
粒子加速（ミクロ）電磁波放射

AGNジェットの基礎：ミクロな視点「衝撃波&粒子加速」の世界

N(E)電子の分布関数
熱的電子

非熱的電子

Emin

E -s放射

Emax

電子のエネルギー

直接観測できる放射は一部の高エネルギー電子によるもの。
大半の粒子は“見えない”！
Heinz+02

バルク加速（復習）：
ブレーザーから学んだこと
Fosatti+ローレンツ因子
Γ~ 10
γ線が出る

Takahashi+~１日(以下)の時間変動

放射領域サイズ
R~10^16cm放射領域の位置
D~ct_varΓ^2~10^17cm

sub pc以内でバルク加速(Γ~10)が必要

~Sub pcで超光速運動が見えない?!
Kovalev+07

1pc

超高速運動が無い!

M87(Virgo A)
Distance =16Mpc
1mas=0.08c;
1mas/yr =0.25c

1pc

~70pcで超光速運動?!
HST-1 VLBA 20cm 超光速運動(Cheung+2007) 2.5 - 4.5 c。(さらにX-ray-TeVフレアとも相関！)内部構造をもつジェット？
“見かけ”の速度≠真の速度？=> ジェットは内部構造を持ち、ブレーザー＝spine; 電波銀河=sheath を見てる? (Ghisellini+05)

spine“見かけ”上、spine-sheath構造を持つ天体も多数有り

sheathAttridge+99

Girolleti+04“見かけ”の量だけで議論を進めると危険。 複数の情報（異なる波長、空間スケール）の総合検討が不可欠。

理論モデル１ 磁気ファンネルジェット
McKinney (2006)

磁場優勢な磁気ファンネルジェット

Γjet〜10はOK等分配あたりで加速終了

初期の円盤内は高プラズマβ。
MRIで低プラズマβファンネル
BH磁気圏が出来る。BHのス
ピンエネルギー駆動Poyntingジェット。

理論モデル2 Wien火の玉
Iwamoto & Takahara (02, 04)
Asano & Takahara (07, 08)

輻射優勢流体の加速膨張（火の玉）
e+ eK
Oは
01〜t
Γje-B
pγe-

簡単のため球対称近似。
光子とペアがコンプトン散乱を介して一流体。
GRB火の玉との違いは、熱平衡ではなくWien平衡を仮定。

理論モデルの現状 (私見)B funnel(McKinney)

Wien fireball(AT07,08; IT02)

Global B (ext.)(Vlahakis+)E source

BH spinAccretion

Accretion

Pros

Γ~10

Γ~10
Efficiency~1/60*L_tot

Γ~10collimation

collimation

Low efficiency
No collimation
ConsLess than 1%
Obs.test Polarization? Bump @MeV?

external B?
Polarization?

現実の天体でのプラズマ組成＆磁場は？

プラズマ組成 (1/2)
バルクコンプトンによる“冷たい（陽）電子”への制限
ジェット中の冷たい（陽）電子が、バルク運動(Γjet〜10) で周辺の軟光子を叩きあげる（バルクコンプトン; Sikora bump）。

Kataoka+07

Γjet2 Eseede-e+
Bpγe-Eseed

SUZAKEseedU

EBC 〜 Γjet2 Eseed 〜 102 ・10eV 〜 1 keV

ＬBC ∝L cold pair

少なくともバルクコンプトン成分の上限値は得られた。

プラズマ組成 (2/2)
コクーン膨張+周辺密度 => “全”圧
yr
Kino+09 in prep
animile“見えない”粒子もpr
力学には寄与する。 Cygnus A

電子の数密度Pp<P± (ペア卓越)
Pp> P±(陽子卓越)

陽子の数密度矢治さんポスターもご覧下さい

全圧
モデルと観測の比較 Ito+08「ペア卓越」と「陽子卓越」の領域の棲み分けが評価できたAuger 時代の幕開け:〜見えてきた非等方性〜
Virgo
Cen A

Pierre Auger Observatory, Science 2007

universe-review.ca/R15-20-accelerators.htm• AGNや銀河との相関(PAO, 07, 08)• Cen A方向からイベント有り。Virgo方向イベント無し。
• 相関がありそうなAGNは 低光度AGN(Moskalenko+08)

=0.4pc「北」巨大ローブ=600pc「南」
小ローブ「北」中=4.8kpc

ローブ=144kpc「南」巨大ローブ=6kpc
Courtesy (Tingay)

Cen A: UHECR候補地はどこ？
HESS Aharonian+09• コア付近?
• 小ローブ?
• 巨大ローブ?
新観測も続々！

Chandra Croston+09「南」小ローブ

コア付近

WMAP Hardcastle+09

さてFermi検出はどの部位？
巨大ローブ

「進展」と「問題点」「エンジン理論」：
ローレンツ因子Γ〜10が理論モデルで実現(McKinny+06;
Asano &Takahara 08)。磁場モデルは変換効率が低い。現実のエンジン近傍の「プラズマ組成＆磁場 」は分かっていない。
「バルク加速」：M87 sub pcスケールでは遅く、 HST1 (~70pc)で超光速運動(Kovalev+07；Cheung+07)。ブレーザーの概念(Γ~10@sub pc)と矛盾。“見かけ”の運動≠真の運動？内部構造は解のひとつ。
「プラズマ組成」：
Sikoraバンプの観測的研究スタート(Kataoka+08)。「ペアの存在＆力学は陽子支配」というシナリオ(Sikora+他)。真のパワー(=全パワー)の力学的推定の追求（Kino+09 準備中）
「最高エネルギー宇宙線」：
Auger時代の幕開け。Cen A新結果が続々(WMAP, Chandra,HESS, Fermi)。どの天体か？まだ不明。無衝突プラズマ中の粒子加速の基礎物理。

展望：VLBI天文学の潮流
ブラックホール天文学を目指して
望遠鏡の空間分解能 ＝ 波長 / 口径(基線長)• より長い基線長へ (地上から空へ)=> Space VLBI
• より短波長へ (センチ波からサブミリ波へ)=> sub-mm VLBIVSOP-2 Mission
Dual pol. @ 8, 22, 43 GHz
Phase-referencing capability
10 cm Orbit Determination

9.3 m Antenna with high surface
accuracy (0.4mm rms)
precision(0.005deg)
Target pointing
Life Timeis 3 years.

1 Gbps Data
Downlink

M87: ジェットの根元＆降着円盤
時間変動のPilot studyが始動。
100Rgのオーダー

Day 0Day 13

Day 3

Day 35

Day 10Day 97

Walker+VSOP-2 sympo (2007)

Kovalev+

VSOP-2の狙い
降着円盤成分の検出(分解能＆感度の向上)
Bの形状 (両偏波)
セレンディピティ？

ペルセウスの心臓：HALCAの成果
Chandraでみたperseus銀河団
Fabian+高分解能ゆえに⇒ バブル膨張の直接観測が可能に。
⇒ 年齢 〜５０才; サイズ〜１０ pc⇒ 若い電波ローブの物理を探る貴重な天体

Asada+06

HALCA

若い電波ローブからのMeV~GeV「熱的」γ線放射の理論予言
電子温度〜陽子温度のモデル「熱的電子圧」
で~100pcローブが~0.1c膨張

p e? e+Kino+09

典@100Mpc

型

的には暗

い

「熱的」電子に対する直接的な制限を与えられる。
前述の若いローブ「3C84」への応用も検討中。

サブミリ波VLBIの胎動
Doeleman+08の結果に刺激されてsub mm VLBIにものすご〜く高い関心。
（試みはもう２０年くらい前から。現在の様子は、cm波の開拓期を髣髴。）

ASTEを使った計画（本間さん+）

目指すは“時空の物理”

Takahashi“ほらいずん望遠鏡”計画も有（三好さん）

まとめ• 「進展」＆「問題点」は前述の通り。
• 「加速」「磁場」「プラズマ組成」「宇宙線」等は、切っても切れない関係であることが本質。
• よって、問題を解くには「全波長の観測グループ」「理論」の協力と連携が必要

http://www.nasa.gov/

appendix

ほとんどの銀河の中心にはブラックホールがいる。
銀河ブラックホールは普遍的

MOJAVE survey
Apparent speed

Kellermann+04, 07

MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei withVLBA Experiments) is a long-term program to monitor AGN
jets in the northern sky.
http://www.physics.purdue.edu/~mlister/MOJAVE/index.html

Apparent luminosity

Long term monitor of motions by VLBA for ~ 200 objects.
Maximum beta_app ~ 30.
Radio Loud Quasars seems to have larger beta_app than BLLacs.

最近のサーベイ研究••

統計的研究。Gamma~100だと観測確率立体角に影響がでるのでは？
サーベイ重要=>Fermi/MAXIMOJAVE – Fermi の結果がrelease (Lister +09; Kovalev+09)

Cen A：HESS観測
HESS! Aharonian+09

1’=1.1kpc

95% C.L.

• HESSの受けた放射は、コア付近か小ローブ、どちらからでもOK. 巨大ローブとは不一致

Cen Aの近況“X線シェル@南西ローブ”の検出
Croston+09 (740ksec Chandra)• シェルX線の起源が「非熱的シンクロトロン」と判明(Croston+09)• 電波で暗め。まだ検出は１例。何故？
• シェルの物理＝＞伊藤さんトーク

展望• 「電波天文学」の“高精度化”• 「X線、ガンマ線天文学」の“全盛”• 「荷電粒子天文学」の“開闢”• 「数値実験天文学」の“躍進”• その他

universe-review.ca/R15-20-accelerators.htm