[論文レビュー] Observing a Black Hole Event Horizon: (Sub)Millimeter VLBI of Sgr A*

Vincent L. Fish, Sheperd S. Doeleman|ArXiv.org|Jun 22, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、銀河の中心に位置する超大質量ブラックホールであるみずおとり座A*のイベントホライズンを直接観測するために、(準)ミリメートル波長の非常に長い基線干渉計測（VLBI）を提案する。サブミリアーキセコンドの分解能を達成することで、一般相対性理論によるレンズ効果を介してブラックホールの影を像として得られ、時間分解能をもったフラックス測定とクロージャー位相解析によりスピンや降着構造を制約可能であり、初期データはイベントホライズンに一致するコンパクトでずれた電波放射を示唆している。

ABSTRACT

Very strong evidence suggests that Sagittarius A*, a compact radio source at the center of the Milky Way, marks the position of a super massive black hole. The proximity of Sgr A* in combination with its mass makes its apparent event horizon the largest of any black hole candidate in the universe and presents us with a unique opportunity to observe strong-field GR effects. Recent millimeter very long baseline interferometric observations of Sgr A* have demonstrated the existence of structures on scales comparable to the Schwarzschild radius. These observations already provide strong evidence in support of the existence of an event horizon. (Sub)Millimeter VLBI observations in the near future will combine the angular resolution necessary to identify the overall morphology of quiescent emission, such as an accretion disk or outflow, with a fine enough time resolution to detect possible periodicity in the variable component of emission. In the next few years, it may be possible to identify the spin of the black hole in Sgr A*, either by detecting the periodic signature of hot spots at the innermost stable circular orbit or parameter estimation in models of the quiescent emission. Longer term, a (sub)millimeter VLBI "Event Horizon Telescope" will be able to produce images of the Galactic center emission to the see the silhouette predicted by general relativistic lensing. These techniques are also applicable to the black hole in M87, where black hole spin may be key to understanding the jet-launching region.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論の強力場領域を調べるため、サブミリアーキセコンドの分解能でみずおとり座A*の静止状態の電波放射構造を像として得ること。
• 内側安定円軌道（ISCO）におけるホットスポットなどの周期的変動を検出することで、ブラックホールのスピンを特定すること。
• 高角分解能VLBIデータを用いて、みずおとり座A*の電波放射の主因が降着円盤かジェットかを区別すること。
• 高品位な像を生成できる(準)ミリメートル波長VLBIアレイを開発し、銀河中心部を観測するイベントホライズン望遠鏡を構築すること。
• 位相アレイ、高帯域幅バックエンド、冷却発振器などの技術的アップグレードを通じて感度と時間分解能を向上させること。

提案手法

• 数ミリメートルのVLBIを用いて、一般相対性理論的スケール（数個の重力半径 rG）の分解能を達成し、イベントホライズン付近の構造を観測可能にする。
• 長基線での相関フラックス密度を測定することで、源のサイズと形状を制約し、Doelemanら（2008）による37 μas未満の放射サイズの上限を得る。
• クロージャー位相およびクロージャーアンプリチュード解析を適用し、ホットスポットの軌道運動のような非対称的または周期的特徴を完全な像なしに検出する。
• 放射的に非効率な降着流（RIAF）モデルを用いて、観測された可視性からブラックホールスピン、傾斜角、降着円盤の向きを推定する。
• 将来の位相アレイプロセッサおよび高データレート記録装置（例：Mark 5C）を活用し、感度を向上させ、全ポラリメトリックVLBIを可能にする。
• 既存のALMA受信機およびインfraストラクチャを活用し、新たなまたは既存のVLBI観測所での感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (準)ミリメートル波長VLBIは、一般相対性理論によるレンズ効果を介して、みずおとり座A*のイベントホライズンスケール構造を解像し、その影を像として得られるか？
• RQ2 ISCOにおけるホットスポットからの周期的変動が、数秒から数分の時間スケールで検出可能であり、それによってブラックホールスピンを推定可能か？
• RQ3 高分解能VLBIデータに基づくと、みずおとり座A*の主な電波放射機構は降着円盤、ジェット、あるいは両者の組み合わせか？
• RQ4 ドップラー効果や重力赤方偏移などの一般相対性理論的効果が、観測される電波放射の形状にどのように影響を与えるか？
• RQ5 完全な像を得る前段階で、クロージャー量から得られるパrameter推定は、ブラックホールスピンをどの程度まで制約可能か？

主な発見

• ミリメートル波長VLBI観測により、みずおとり座A*の電波放射サイズが37 μas未満に制限されており、これは対称的で光学的に厚い球体とは一致しないコンパクトでずれた源であることを示唆している。
• データは低傾斜角のRIAFモデルを否定しており、降着円盤が顕著な傾斜角で観測されていることを示唆しており、一般相対性理論的効果と整合的である。
• マウナケアに位相アレイを設置し、VLBI基線を拡張することで、10秒未塔の時間スケールでサブミリアーキセコンド構造の時間分解像が得られるようになると予想される。
• シミュレーションにより、ISCOにおけるホットスポットからのクロージャー位相は、現在および近い将来のVLBIアレイで検出可能であり、周期は約4分（高スピン）からほぼ30分（低スピン）の範囲にわたることが示された。
• Mark 5C記録装置および4 Gbit/sのデジタルバックエンドなどの技術的アップグレードにより、データレートと感度が向上し、全ポラリメトリックVLBIと345 GHz帯域の高周波数観測が可能になる。
• VLBIネットワークにALMAに類似した受信機を統合することで、感度が著しく向上し、ブラックホールスピンおよび電波放射の幾何構造に関する信頼性の高いパrameter推定が可能になると予想される。