回転ブラックホール近傍における高エネルギー粒子衝突とエネルギー引き抜き過程

年次計画２年目の「高エネルギー粒子の脱出確率及び観測への示唆」の研究に取り組んだ．本年度中に電磁波観測によって，ブラックホールの作る影（シャドウ）の撮像が初成功したこともあり，当初の計画に加えて，より実際の観測を意識した解析も行った．以前，Kerr時空の赤道面内に限定した脱出確率の評価手法を発展させ，空間３次元的な粒子の脱出確率の解析を行った．状況設定としては，(i)数理的な側面に着目した，Kerr-Newman時空での解析，(ii)宇宙物理学的に（実際の観測に）重要となる，最内接安定円軌道（ISCO）からの脱出，の２通りの解析を行った．(i)Kerr-Newman時空は，質量・角運動量（スピン）・電荷の３つのパラメータをもつブラックホール時空であり，スピンと電荷にはある上限値が存在する．我々は脱出確率に対するこれら２つのパラメータ依存性を解析し，時空が臨界（extremal）かつ規格化されたスピンが1/2以上の場合，地平面のごく近傍からでも約30％の確率で粒子が脱出できることを明らかにした．また，スピンの増加に伴い確率も増加することがわかった．(ii)のISCO軌道からの脱出も同様に，スピンの増加に伴い確率が増加することが示された．宇宙物理学的なブラックホールのスピンには，0.998という理論的上限値が存在し，この上限値での脱出確率は約59％であった．さらに脱出光の赤方偏移を解析したところ，ISCO軌道から前方に放射された光は，遠方で青方偏移していることが明らかになった．これは，ISCO軌道にある光源のドップラー効果，いわゆる相対論的ビーミング効果であり，高い脱出確率とビーミング効果の関連性を明らかにした結果となった．これらの結果は，仮にブラックホール近傍からの情報を得られたとすると，そのブラックホールは非常に高速回転している可能性が高いことを示している．

年次計画２年目の「高エネルギー粒子の脱出確率及び観測への示唆」の研究に取り組んだ．本年度中に電磁波観測によって，ブラックホールの作る影（シャドウ）の撮像が初成功したこともあり，当初の計画に加えて，より実際の観測を意識した解析も行った．以前，Kerr時空の赤道面内に限定した脱出確率の評価手法を発展させ，空間３次元的な粒子の脱出確率の解析を行った．状況設定としては，(i)数理的な側面に着目した，Kerr-Newman時空での解析，(ii)宇宙物理学的に（実際の観測に）重要となる，最内接安定円軌道（ISCO）からの脱出，の２通りの解析を行った．(i)Kerr-Newman時空は，質量・角運動量（スピン）・電荷の３つのパラメータをもつブラックホール時空であり，スピンと電荷にはある上限値が存在する．我々は脱出確率に対するこれら２つのパラメータ依存性を解析し，時空が臨界（extremal）かつ規格化されたスピンが1/2以上の場合，地平面のごく近傍からでも約30％の確率で粒子が脱出できることを明らかにした．また，スピンの増加に伴い確率も増加することがわかった．(ii)のISCO軌道からの脱出も同様に，スピンの増加に伴い確率が増加することが示された．宇宙物理学的なブラックホールのスピンには，0.998という理論的上限値が存在し，この上限値での脱出確率は約59％であった．さらに脱出光の赤方偏移を解析したところ，ISCO軌道から前方に放射された光は，遠方で青方偏移していることが明らかになった．これは，ISCO軌道にある光源のドップラー効果，いわゆる相対論的ビーミング効果であり，高い脱出確率とビーミング効果の関連性を明らかにした結果となった．これらの結果は，仮にブラックホール近傍からの情報を得られたとすると，そのブラックホールは非常に高速回転している可能性が高いことを示している．