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ブラックホール近傍での 相対論的時空の探求

ブラックホール近傍での 相対論的時空の探求. 　　Doppler boosting 　　　　　　→ 像の左右非対称 　　gravitational lensing 　　　　　　　　→ 像の浮き上がり 　　photon redshift …. 嶺 重　慎　（京大院・理）. © 高橋労太. Astro-H と相対論的時空の探究. ASTRO-H 衛星 高感度・広帯域（ 0.2 ～ 600 keV ）観測 マイクロカロリメータによる超高分解能分光観測 相対論的時空の探究 大事なテーマだが、まだ具体的な検討に入っていない。

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ブラックホール近傍での 相対論的時空の探求

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Presentation Transcript

  1. ブラックホール近傍での相対論的時空の探求 　　Doppler boosting　　　　　　→ 像の左右非対称 　　gravitational lensing　　　　　　　　→ 像の浮き上がり 　　photon redshift … 嶺 重　慎　（京大院・理） ©高橋労太

  2. Astro-Hと相対論的時空の探究 • ASTRO-H衛星 • 高感度・広帯域（0.2～600 keV）観測 • マイクロカロリメータによる超高分解能分光観測 • 相対論的時空の探究 • 大事なテーマだが、まだ具体的な検討に入っていない。 • ぜひ、この機会に本格的（理論面・観測面）検討を！ • 具体的方法 １．連続成分を用いるもの ２．鉄輝線を用いるもの ３．QPO（準周期振動）を用いるもの

  3. 1. 連続成分を用いる方法 • 円盤温度・光度関係はブラックホールスピンに依存！ • 相対論的効果（ニュートン力学との差） • ブラックホールスピンの効果（最内縁半径など） • メリット • スペクトル全体の形をみる（微細構造に依存しない）。 • デメリット（課題） • 非熱的成分をどうさし引くか？ • Spectral hardening factor に不定性 • ブラックホール質量や円盤傾斜角の正確な評価が必要

  4. 相対論的円盤モデル • 相対論的標準円盤モデル （Novikov & Thorne 1974) • 放射フラックス分布（黒体放射） a=0ではNewtonianの-20%、a=0.9ではf R=1 • 円盤内縁半径＝最内縁安定円軌道（ISCO)半径 　ｒISCO=3 rS (a=0), ～0.5rS (a～1) • そのほか関係する効果 • 重力レンズ、beaming (Doppler), photon redshift, … • Blandford-Znajek効果（or 時空のひきずり効果）→加熱源 • epicyclicfrequencyにピーク（後述）

  5. Disk blackbodyモデル(Mitsuda et al. 1984) 黒体放射スペクトルの重ね合わせ フィッティングパラメータ Tin= 円盤最内縁の温度 (～最高温度) rin = Bν(Tin)で光る領域のサイズ（～円盤内縁の半径） 補正 本当の円盤内縁半径は～ ξrin(ξ～0.4) (最高)色温度はTc=κTin(κ～1.7はhardening factor) ⇒ 円盤内縁半径（rin）＝rISCOとするとスピンがわかる

  6. スピンに関する情報！ • ただし、内縁半径＞ISCO半径というケースもあることに注意（Rinが小さければ、大スピンだとは結論できる）。 連続成分モデル結果①：円盤内縁半径からの評価 牧島一夫（天文月報2010/3より）

  7. 観測スペクトルをN-Tモデル（kerrbb model)でフィッティング 連続成分モデル結果②：N-Tモデルによりフィッティング McClintock et al. 2009

  8. 問題点(1) 高温放射成分の差し引き 冷たい円盤と熱いコロナの共存 (a) horizontal separation (b) vertical separation X-rays disk X-rays BH (c) mixture type disk hot inner torus BH hot inner corona/outflow X-rays disk BH corona/outflow

  9. 問題点(2) spectral hardening factor ・放射スペクトル≠黒体放射 　→ 色温度は、有効温度から　　　有意にずれる。 spectral hardening factor 　　 κ～1.7-2.0 質量降着率やαに依存。 Shimura & Takahara (1995)

  10. KerrBB modelに限界（高光度で不備、境界条件に近似）。 低光度から高光度（ほぼエディントン）まで計算 (M=10Msun) slimBB model=相対論的(スリム)円盤モデル Mdot Mdot (Mdotc2/LE=1, 3, ･･･, 103)

  11. 理論計算結果(1)（i=0; face-on） 理論スペクトルをスペクトルフィットする。 Inputs: Mdot, a, & i (円盤傾斜角) Outputs: Rin, Tin, & p (温度勾配). スピンが大きいと、円盤内縁半径の変化が少ない。 T∝r-p ⇒ Fν∝ν3-(2/p) ©Toshikawa

  12. 降着率があがるにつれ,円盤最内縁部は、中から順に隠されていく。降着率があがるにつれ,円盤最内縁部は、中から順に隠されていく。 →温度↓、光度<~0.4 ただし、上限光度はモデルに依存（円盤の厚みなど） 理論計算結果(2)（i=70;ほぼ edge-on） ©Toshikawa

  13. 観測データは理論の予想範囲（ハイスピン）をカバー。観測データは理論の予想範囲（ハイスピン）をカバー。 さらにモデルの改良が必要（遮蔽効果をより正確に）。 観測（GRS1915+105）と理論の比較 Preliminary ©Toshikawa

  14. 連続成分モデル：まとめ 結局、スナップショットでは現状を超えるのは難しい？ 同じソース（同じ質量、同じスピン）を連続してみること。 特に、エディントン光度近傍で、スピンごとに温度などの　　ふるまいが変わるのをとらえる。 ターゲット＝明るいBHB：GRS1915+105（吸収構造が複雑）、GRO J1655-40？ 理論的に詰めること ＰＬ（Compton）成分のモデリング Spectral hardening factor Wind mass loss 効果 ・・・

  15. 2. 輝線成分を用いる方法 • 鉄輝線プロファイルはブラックホールスピンに敏感！ • 相対論的効果（ニュートン力学との差） • ブラックホールスピンの効果（最内縁半径など） • メリット • 相対論的効果の直接検証に直結。 • デメリット（課題） • スペクトルの微細構造に依存（連続成分をどうさし引くか？） • 未定パラメータが多い（ブラックホール質量、円盤傾斜角、　輝線強度分布などなど）

  16. 冷たいプラズマによる反射 べき型スペクトルのＸ線を 冷たい（～百万度以下）の プラズマに入射 → 反射成分 ＋各元素の特性Ｘ線 Compton reflection hump (Reynolds 1996)

  17. Schwarzschild case Main parameters: Disk inner edge, rin=10 rS Disk outer edge, r0 =100 rS Inclination angle, i=30 Emissivitypropto rq; q=-2 鉄の蛍光輝線(1)(Fabian et al. 1989) Cyg X-1

  18. 鉄の蛍光輝線(2)(Laor 1991, Kojima 1991) Kerr case (a=M) Disk inner edge, rin=0.5 & 3 rS Disk outer edge, r0 =20 (left) & 10 (right) rS Emissivitypropto rq; q=-2 rin=0.5 (solid) & 3rS (dashed) i=45 Rin=3rS (fix)

  19. MCG6-30-15の場合(Reeves+ 2006, Miniutti+ 2007) 広がった鉄輝線 →　Kerr holeでないと説明できない（？） 黒=Suzaku 赤=XMM Newton

  20. ブラックホール連星の場合(ASCA data, Miller+ 2005)

  21. 問題点(1) 連続成分の差し引き 輝線成分＝全スペクトル 　　　　　　　－連続成分スペクトル すなわち、 連続成分の仮定→結論 その一例（右図、MCG6-30-15）: 連続成分からの微妙な残りが、 Kerr holeに特有のred wing　　　を生み出す！ [吸収体モデルによりred wingが 消える (Miller+ 2008,2010)] ASTRO-Hを使うと不定性　　なく決めることができる PL model “detailed” model (Wilms et al. 2001)

  22. 問題点(2) 多いパラメータ ・輝線強度分布（ｑ） → 照らす光源と、照らされる 低温物質、 双方の分布 に依存 ・円盤傾斜角 ・時間依存性 → フレアは間欠的 　輝線プロファイルが 　ASTRO-Hで正確に　　　　　決まれば解決（？）

  23. 時間変動の謎(MCG-6-30-15) べき的な連続成分(PL; 2-10keV)が明るいとき(HF)と暗いとき(LF)とでスペクトルを比較  鉄輝線成分+反射成分の変動がPLと連動していない 単純に考えると鉄輝線も反射成分もPL成分(~照射X線)が起源なのだから、フラックス変動は同期するはず simple power-lawとの比 （実は以前から指摘されていた現象） ©川中宣太 Miniutti+ 2007

  24. Light-bending model Miniutti & Fabian 2004 Point-like X-ray sourceを仮定(lamp-post model) PL成分 強重力による光の屈折を考慮すると、照射X線源の円盤からの距離によって、PL成分と鉄輝線+反射成分の比が変化 鉄輝線＋反射成分 If the primary source is located very close to the BH, the emitted photons will be greatly bent toward the disk. enhanced reflection? ©川中宣太

  25. Cyg X-1の“superposed shot”Negoro et al. (1994); Negoro, Kitamoto, SM (2001) X-ray intensity 緩やか変光～数秒急激なスペクトル硬化 < 2ms Hardness ratio 平均 time (sec)

  26. MHD降着流の変動 (Machida & Matsumoto 2004) flareを起こす領域が 内側にシフトする。

  27. 輝線成分モデル：まとめ 鍵は、連続成分のモデリング ASTRO-Hで、決着がつきそう（不定性がなくなるだろう）。 逆問題的発想はできないか？ (line profileから直接パラメータ決定） Challengingな課題：line profileの時間変化 コロナ中のフレアによる増光→line profile が時々刻々変化 　　（まさに、相対論的効果が如実に表れる）。 photon数が足りるか？ “superposed shot”の技法？ 大きなフレアをたくさん足し合わせて、平均スペクトルを得る。 光る領域の内側への伝搬 → 理論的モデリング

  28. 3.QPOを用いる方法 • QPO（準周期振動）もブラックホールスピンに敏感！ • 時間変動から相対論的効果をみる • メリット • 既述の２方法とは完全に独立（相補的）。 • スペクトル状態にあまりよらない（QPOが見えていれば）。 • 円盤傾斜角や、放射強度分布にも(あまり)よらない。 • デメリット（課題） • QPOは１種類ではない！　QPOの種類により、周波数の、スピン依存性も（光度依存性も）異なる。 • ブラックホール質量の正確な情報は必要。

  29. 円盤振動論：捕捉された振動(Kato 2001, PASJ review) κ (epicyclic freq.)に極大あり 　→ waveがここにtrap（↓） 　→ QPO発生 κmaxにスピン依存性（→） (Silbergleit+2000)

  30. 典型的な周波数？(Kato 2001, PASJ review) 典型的な周波数 　ここで、εは微少量、 　F(a)は、aの単調増加関数 F(0)=1.00 ～F(0.998)＝3.443 GRS1915+105に67Hz QPO (→) M＝14Msunとすると、a<<1 (a~1なら~170Hzのはず) → 連続成分の結果に合わない(?) (Morgan +1997)

  31. 全体のまとめ • ASTRO-H衛星 • ２０１３年以降、広帯域をカバーする唯一のX線衛星 • 広帯域と超高分解能分光より、未開の荒野を開拓 • 相対論的時空の探究 • ３つの方法、いずれにも不定性あり。ASTRO-Hを使って、 不定性をいくらかでも減じたい。 • 理論的につめるべきことも多い→緊密なコラボレーション • ところで・・・ • 今まで、GRおよびKerr metricを前提 → 本当？ • 今まで、ブラックホールの存在を前提 → 本当？

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