[論文レビュー] Observational Evidence for Black Holes

Ramesh Narayan, Jeffrey E. McClintock|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 63被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、恒星質量ブラックホールおよび超大質量ブラックホールの観測的証拠をレビューし、動的質量測定、コンパクトなサイズ推定、および降着光度、ジェット出力、ブラックホールスピンの相関関係を通じてそれらの存在を示している。また、恒星質量ブラックホールにおける相対論的ジェットが一般化されたペンローズ過程によって駆動されているという、まだ仮説的ではあるが、着実に蓄積される証拠を提示している。主な根拠はブラックホール活動の基本平面と、一時的源におけるスピン測定である。

ABSTRACT

Astronomers have discovered two populations of black holes: (i) stellar-mass black holes with masses in the range 5 to 30 solar masses, millions of which are present in each galaxy in the universe, and (ii) supermassive black holes with masses in the range 10^6 to 10^{10} solar masses, one each in the nucleus of every galaxy. There is strong circumstantial evidence that all these objects are true black holes with event horizons. The measured masses of supermassive black hole are strongly correlated with properties of their host galaxies, suggesting that these black holes, although extremely small in size, have a strong influence on the formation and evolution of entire galaxies. Spin parameters have recently been measured for a handful of black holes. Based on the data, there is an indication that the kinetic power of at least one class of relativistic jet ejected from accreting black holes may be correlated with black hole spin. If verified, it would suggest that these jets are powered by a generalized Penrose process mediated by magnetic fields.

研究の動機と目的

• 宇宙における恒星質量ブラックホールおよび超大質量ブラックホールの存在を支持する観測的証拠を統合・評価すること。
• 恒星質量ブラックホールにおけるブラックホールスピンと相対論的ジェット出力の相関関係を検討し、その有意性と限界を評価すること。
• イベントホライズン望遠鏡によるSgr A*の高分解能観測を用いたノヘアの定理の検証可能性を評価すること。
• ブラックホール活動の基本平面を、ブラックホール質量スケールを越えて降着およびジェット特性を結びつける統合的フレームワークとして確立すること。

提案手法

• Sgr A*の周囲を回る星の軌道運動の動的質量測定を用い、ブラックホール質量を440万±20万太陽質量と推定した。
• 観測されたクェーサーの光度にEddington光度限界を適用し、最小ブラックホール質量を>10^8 M☉と推定した。
• 急速なX線変動と重力ミクロレンズ効果を用いて光行時を推定し、源のサイズを10 Rg未満に制限した。
• 特に一時的恒星質量ブラックホールに対して、X線スペクトルを用いたコンtinuum-fitting法によりブラックホールスピンを測定した。
• 複数の源タイプにわたる電波光度（ジェット出力）、X線光度（降着出力）、およびブラックホール質量の相関関係を分析することで、ブラックホール活動の基本平面を分析した。
• 5つの一時的恒星質量ブラックホールのサンプルにおいて、ジェット出力とブラックホールスピン、およびイベントホライズンの角速度（ΩH）を比較することで、一般化されたペンローズ過程の検証を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙における超大質量および恒星質量ブラックホールの存在を確認する観測的証拠は何か？
• RQ2 ブラックホール系における相対論的ジェット出力は、ブラックホールスピンとどの程度相関しているか？
• RQ3 ブラックホール活動の基本平面は、異なるブラックホール質量におけるジェットおよび降着特性を統合的に説明できるか？
• RQ4 現在の観測は、天体的ブラックホールにおけるノヘアの定理の妥当性にどのような制限を課しているか？
• RQ5 一時的恒星質量ブラックホールにおけるスピン測定とジェット出力は、ジェットエネルギー源としての一般化されたペンローズ過程を支持するか、あるいは反証するか？

主な発見

• 銀河中心の超大質量ブラックホールSgr A*は、1995年から2012年にかけて観測された星のケプラー軌道から、440万±20万太陽質量の質量を有することが推定された。
• クェーサーは日単位の時間スケールで急速なX線変動を示しており、これにより源のサイズが10 Rg未満であると推定され、ブラックホール起源と整合的である。
• 重力ミクロレンズ効果と鉄Kα線の測定により、X線放射領域のサイズが10 Rg程度またはそれ以下に制限されており、これはコンパクトで質量の大きな中心天体を支持する。
• 5つの一時的恒星質量ブラックホールにおいて、ジェット出力とブラックホールスピンの間には、まだ仮説的ではあるが直接的な相関が観測された。ジェット出力はサンプル全体で約10^3の変動を示した。
• ブラックホール活動の基本平面は、広範な質量範囲および降着状態にわたる電波光度（ジェット出力）、X線光度（降着出力）、およびブラックホール質量の相関関係を示している。
• 恒星質量ブラックホールにおける観測されたジェット出力は、降着率のみに依存するよりも、ブラックホールスピンおよびイベントホライズンの角速度（ΩH）とより強く相関しており、スピンが一般化されたペンローズ過程を通じて相対論的ジェットを駆動しているという仮説を支持している。