[論文レビュー] Near infrared flares of Sagittarius A*: Importance of near infrared polarimetry

M. Zamaninasab, A. Eckart+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 79被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、銀河中心の超大質量ブラックホールの近傍における強力な重力場において、コン pact で軌道を回るホットスポットの痕跡を、Sgr A* の近赤外偏光測定によって検出する。相対論的光線追跡シミュレーションと光度および偏光光曲線におけるパターン認識を組み合わせることで、光度の変調と偏光の振り幅の間で統計的に有意な相関が得られ、延長された発光構造よりもホットスポットモデルを支持する。

ABSTRACT

We report on the results of new simulations of near-infrared (NIR) observations of the Sagittarius A* (Sgr A*) counterpart associated with the super-massive black hole at the Galactic Center. The observations have been carried out using the NACO adaptive optics (AO) instrument at the European Southern Observatory's Very Large Telescope and CIAO NIR camera on the Subaru telescope (13 June 2004, 30 July 2005, 1 June 2006, 15 May 2007, 17 May 2007 and 28 May 2008). We used a model of synchrotron emission from relativistic electrons in the inner parts of an accretion disk. The relativistic simulations have been carried out using the Karas-Yaqoob (KY) ray-tracing code. We probe the existence of a correlation between the modulations of the observed flux density light curves and changes in polarimetric data. Furthermore, we confirm that the same correlation is also predicted by the hot spot model. Correlations between intensity and polarimetric parameters of the observed light curves as well as a comparison of predicted and observed light curve features through a pattern recognition algorithm result in the detection of a signature of orbiting matter under the influence of strong gravity. This pattern is detected statistically significant against randomly polarized red noise. Expected results from future observations of VLT interferometry like GRAVITY experiment are also discussed.

研究の動機と目的

• 近赤外のSgr A* 崩壊の物理的起源を偏光データを用いて調査すること。
• 観測された光度および偏光変動が、拡張された構造ではなく、コンパクトで回転する発光領域に起因するかどうかを特定すること。
• 特に GRAVITY を含む将来的な干渉計観測によって、軌道運動を検出可能かどうかを評価すること。
• 長期間にわたるノイズの多い光曲線から弱い周期的信号を抽出するためにパターン認識を用いること。
• 相対論的シミュレーションと偏光制約を用いて、発光領域の幾何学的構造と運動を制約すること。

提案手法

• NACO/VLT および CIAO/Subaru テレスコープを用いて、Sgr A* の複数エポックにわたる近赤外偏光観測を実施した。
• Karas-Yaqoob (KY) 光線追跡コードを用いて、ねじれた回転するブラックホール降着円盤内のホットスポットからの相対論的シンチロトロン放射をシミュレートした。
• 方位方向に過密度な相対論的電子からの放射をモデル化し、重力的せん断、シンチロトロン冷却、変動する降着円盤背景を組み込んだ。
• 光度密度と偏光度/偏光角の間の相関を検出するために、z 変換離散自己相関関数 (ZDCF) を適用した。
• 光曲線が軌道時定数よりも長い間、一貫性があり非ランダムな構造を特定するためにパターン認識アルゴリズムを用いた。
• 将来の干渉計（例：GRAVITY）による位置ずれの検出可能性を予測するために、近赤外画像の重心運動をシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A* のフレアにおける光度変動と偏光変化の相関が、ランダムなノイズではなく、回転するホットスポットに起因するものと特定できるか？
• RQ2 重力的せん断やドップラー効果といった相対論的効果が、観測された偏光光曲線にどのように影響を与えるか？
• RQ3 偏光データによって、発光領域の幾何学的構造（例：コンパクトなスポット対比してらせん状の腕）はどの程度制約できるか？
• RQ4 フレア中における近赤外画像の重心運動はどの程度のものであり、将来的な干渉計（例：GRAVITY）によって検出可能か？
• RQ5 フレア中の偏光角の振り幅が、コンパクトなスポットと拡張された発光パターンを区別できるか？

主な発見

• Sgr A* フレアにおいて、光度密度の変調と線形偏光度および偏光角の変化との間に統計的に有意な相関が確認された。
• 観測された偏光角の振り幅は、拡張的またはらせん状の発光領域よりも、コンパクトで回転するホットスポットモデルを強く支持する。
• 重力的せん断と高速シンチロトロン冷却を含む相対論的シミュレーションは、観測された光曲線の特徴と偏光行動をうまく再現した。
• パターン認識アルゴリズムにより、軌道時定数よりも長い光曲線において、一貫性があり非ランダムな信号が検出され、Lomb-Scargle よりも優れた性能を示した。
• 将来の GRAVITY 干渉計観測では、近赤外画像の重心運動が解像可能と予想され、回転するホットスポットの直接的証明が得られるだろう。
• 画像中心の位置ずれの明確な検出は、ホットスポットモデルを強く支持し、一般相対性理論の強力な重力領域におけるテストに新たな道を開くだろう。