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ブラックホール磁気圏 - ブラックホールエンジン -

ブラックホール磁気圏 - ブラックホールエンジン -. 大阪市立 大学　宇宙物理（重力）研究室 孝森　洋介. 今日の話は・・・. １．ブラックホールを使ったエネルギー生成機構に ついて簡単にまとめたいと思います． 　　・ Penrose 機構 　　・ Blandford-Znajek 機構 ２．あとできたら自分の研究の話をすこし． 　　・ Force-Free ブラックホール磁気圏. 内容. １．導入 ２． Kerr ブラックホール 　　・エルゴ領域 ３． Kerr ブラックホールの回転エネルギーを引き抜く 　　・ Penrose 機構

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ブラックホール磁気圏 - ブラックホールエンジン -

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Presentation Transcript

  1. ブラックホール磁気圏-ブラックホールエンジン-ブラックホール磁気圏-ブラックホールエンジン- 大阪市立大学　宇宙物理（重力）研究室 孝森　洋介

  2. 今日の話は・・・ １．ブラックホールを使ったエネルギー生成機構に ついて簡単にまとめたいと思います． 　　・Penrose機構 　　・Blandford-Znajek機構 ２．あとできたら自分の研究の話をすこし． • 　　・Force-Freeブラックホール磁気圏

  3. 内容 １．導入 ２．Kerrブラックホール 　　・エルゴ領域 ３．Kerrブラックホールの回転エネルギーを引き抜く 　　・Penrose機構 　　・Blandford-Znajek機構 ４．Force-Freeブラックホール磁気圏

  4. １．導入

  5. ・通常の銀河に比べて明るい． ・狭い領域に100万から10億 　太陽質量の質量がある． 　（ブラックホール！？） ・細く双方向に伸びた高速の 　プラズマ流（ジェット）をもつ． 活動銀河核（Active Galactic Nuclei，AGN） ：星以外のものに起源をもつ活動性を示す銀河中心領域．

  6. エネルギー源は？ エネルギー解放効率 ：放出されたエネルギー ：エネルギーを放出した物質の質量 ：光速 AGNの場合 　　　　　光度×年齢 　　　 質量×光速の2乗 → 0.01のエネルギー解放効率． 光度： 質量： 年齢：　　　 一方、核融合のエネルギー解放効率は0.007． 核融合はちょっと厳しいかも・・・．

  7. ブラックホールとエネルギー生成 電磁波 B.H. ガスがブラックホールへ落ちる． → 重力ポテンシャルエネルギー 　　を解放．・・・① ブラックホールの回転エネルギーを引き抜く．・・・② ・Penrose機構 ・Blandford-Znajek機構 ・Super-radiance

  8. ①重力ポテンシャルエネルギー エネルギー解放効率 BHの場合，Schwarzschild半径を代入すると → 核融合(０．００７)より10倍以上大きい！ ：星の半径 ：星の質量　

  9. ②回転エネルギー 剛体回転球だと思っておおざっぱに計算・・・ 剛体球のもつ回転エネルギー ：慣性モーメント ：角速度 のブラックホールが最大回転している場合 で1億年はもつ！（AGNの年齢は100万年）

  10. ２．Kerrブラックホール

  11. Kerrブラックホール 　　　　　：Einstein方程式の軸対称定常真空解．回転している 　　　　　　ブラックホールを表している． ホライズン ：光が遠方に抜け出せなくなる領域 　の境界． B.H. エルゴ領域← これから説明します．

  12. エルゴ領域の説明 例）“空間座標一定”の観測者（Minkowski時空） “観測者”　⇒　“ベクトル場”　 座標 “観測者”の4元速度ベクトル場 速度の大きさは 光速よりおそい．

  13. エルゴ領域の説明 座標 ：BHから十分はなれたところで普通の極座標． Kerr時空で“空間座標一定”の観測者． “観測者”の4元速度ベクトル場 速度の大きさは B.H. エルゴ領域 で　　　　　　　になる．つまり光速 以上になる． ：質量パラメータ ：回転パラメータ

  14. ３．Kerrブラックホールの回転　　エネルギーを引き抜く３．Kerrブラックホールの回転　　エネルギーを引き抜く

  15. 次の２つの話をします． ①Penrose機構 ②Blandford-Znajek機構

  16. ①Penrose機構 遠方からKerrブラックホールにものを落として，エルゴ領域 内でブラックホールへ落ちる破片と遠方へ戻ってくる破片に 分裂させる．すると遠方へ戻ってきた破片のエネルギーは 落としたときのもののエネルギーより大きくなっている． エネルギーがふえる． B.H. 分裂． エルゴ領域 落す． 極側からみた図

  17. エネルギーとは・・・ :粒子の4元運動量ベクトル “観測者”　がはかる“エネルギー”とは・・・ :観測者の4元速度ベクトル 例）“空間座標一定”の観測者（Minkowski時空） がはかるエネルギーは 　　　の時間成分．

  18. ①Penrose機構 各粒子の運動は“自由落下”とする． B.H. エルゴ領域 エネルギー・運動量保存 極側からみた図

  19. エネルギー・運動量保存から・・・ 空間座標一定の観測者 B.H. で内積をとる． エルゴ領域 • “自由落下運動” であることと • Kerr時空が定常であることから • これらは軌道に沿って保存する． 極側からみた図

  20. エルゴ領域内では空間座標一定の 観測者の速さは光速を越えるので B.H. という軌道がありえる． エルゴ領域 から 極側からみた図 落す前よりエネルギーが増えた！

  21. ②Blandford-Znajek（B-Z）機構 Kerrブラックホールを背景時空に定常軸対称Force-Free磁場 を考える．このとき，ホライズン上のエネルギー流束を計算すると ある条件を満たすときにホライズンから外向きに正のエネルギー 流束があることがわかる．これはブラックホールから回転エネルギー が流出していると理解できる． 磁力線 B.H. 降着円盤 降着円盤

  22. Force-Freeとは・・・ 磁力線 電流が磁力線に沿って流れる． Force-Free近似 プラズマの慣性項を無視する近似． B.H. プラズマの運動エネルギー<<磁場のエネルギー のときよい近似．

  23. 定常軸対称Force-Free電磁場 基本量 磁場or電流 ：磁束　　 ：全電流　　 Ｂ.Ｈ. ：磁力線の角速度　　 これらで電磁場は書き表すことができる．　　

  24. ホライズン上のエネルギー流束の動径成分は・・・ホライズン上のエネルギー流束の動径成分は・・・ ：磁場の動径成分　　 のときホライズンから外向きに正のエネルギー流束 がある． → ブラックホールの回転エネルギーを引き抜ける！

  25. イメージ 引き抜き条件 Ｂ.Ｈ. 磁場でブラックホールの回転に ブレーキをかける． 極側からみた図

  26. まとめと議論 ・AGNの活動性の起源はブラックホールにあるだろう． ・ブラックホールを用いたエネルギー生成機構として Penrose機構とB-Z機構を紹介した． ・B-Z機構はジェットのエネルギー源として期待されている．

  27. ４．Force-Freeブラックホール　　磁気圏

  28. ジェットはどうできる？ 問題 １．どうやって加速？ ２．どうやって細くする？ ３．方向性の維持は？ まだ定説はない．磁場が重要かも しれない・・・．もしそうならB-Z機構 がジェットのエネルギー源として 期待される． → BH周りの磁場構造を知りたい．

  29. ブラックホール磁気圏の研究 真空（プラズマなし）磁気圏 ・Einstein-Maxwell系をフルに解く． 帯電BH（Reissner, Nordstrom） 回転している帯電BH（Newman et al.） Schwarzschild時空中の一様磁場（Ernst） ・BH時空を背景時空としてMaxwell方程式を解く． Kerr時空中の定常軸対称電磁場（Pertterson, Wald・・・） Schwarzschild時空中の電磁場（Ginzbrug et al, Ghosh） ・BH外部の赤道面上に円電流を置く．（Tomimatsu＆Takahashi）

  30. ブラックホール磁気圏の研究 BHの外にはきっとプラズマがあるだろう・・・ プラズマを取り入れる方法 ・Force-Freeプラズマ（プラズマの慣性ムシ） 　・理想磁気流体プラズマ（電気伝導度∞） 　・2流体プラズマ 　　→まずは一番簡単でB-Z機構が示されたForce-Freeプラズマ 　　　 を考えてみる．

  31. Grad-Shafranof方程式 定常軸対称Force-Free磁場を決める方程式． 楕円型準線形偏微分方程式← 厳密解を得るのは難しい． やっていること ・G-S方程式の数値計算． ・ゆっくり回っているKerrブラックホールの場合を考え 　摂動的に扱う．（10月の重点研究での発表） ・プラズマがあるとき最大回転BHで“Meissner効果”がある？ etc.

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