[論文レビュー] Supermassive Black Holes

Fulvio Melia|ArXiv.org|May 10, 2007

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、特大ブラックホールの観測的・理論的証拠をレビューし、銀河形成におけるその役割と、ミリメートル/サブミリメートル波長帯の超長基線干渉計測定（VLBI）を用いたイベントホライズンの撮像可能性に焦点を当てる。今世紀の10年以内に、イベントホライズン付近での極端な光の屈曲によって生じる暗黒領域である、さそり座A*の影が、サブミリメートル波長帯で観測可能になると予測される。

ABSTRACT

Supermassive black holes have generally been recognized as the most destructive force in nature. But in recent years, they have undergone a dramatic shift in paradigm. These objects may have been critical to the formation of structure in the early universe, spawning bursts of star formation and nucleating proto-galactic condensations. Possibly half of all the radiation produced after the Big Bang may be attributed to them, whose number is now known to exceed 300 million. The most accessible among them is situated at the Center of Our Galaxy. In the following pages, we will examine the evidence that has brought us to this point, and we will understand why many expect to actually image the event horizon of the Galaxy's central black hole within this decade.

研究の動機と目的

• クェーサーと活動銀河核が特大ブラックホールと関連しているという観測的・理論的証拠を統合すること。
• 特にコンパクト領域における降着プロセスを含め、クェーサーの極めて高い放射能の背後にある物理的メカニズムを調査すること。
• サブミリメートル波長帯の電波干渉計を用いて、銀河中心の特大ブラックホールのイベントホライズンを直接撮像する可能性を評価すること。
• さそり座A*の偏光およびスペクトル遷移をモデル化し、ブラックホールの影の観測的シグネチャーを予測すること。
• 一般相対性理論のカー計量による予測通り、ブラックホールの影が現在および近い将来のVLBI技術で達成可能であることを示すこと。

提案手法

• 回転するブラックホール周囲の時空をモデル化するためのカー計量を用い、イベントホライズンの影の大きさと形状を予測する。
• 磁場を有するケプラー的降着流の光線追跡シミュレーションを適用し、ミリメートル/サブミリメートル波長帯におけるブラックホール環境の合成画像を生成する。
• 銀河間空間の散乱および望遠鏡の分解能の影響を組み込むために、散乱および機器による広がりを表すガウス型フィルターを用いて、シミュレート画像を畳み込む。
• 1 mm近辺での光学的厚さから薄さへの遷移を特定するため、さそり座A*のスペクトルエネルギー分布を分析し、ブラックホールの影が可視化される波長帯を同定する。
• 偏光画像技術を用いて、ブラックホール周辺の磁場の向きと構造をモデル化し、偏光パターンを通じて影の検出を可能にする。
• 電波望遠鏡のデータと理論的モデルを統合し、8,000 kmの基線長を持つグローバルVLBIアレイがさそり座A*の影を分解能で捉えることができると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および近い将来のミリメートル/サブミリメートル波長帯のVLBI技術を用いて、銀河中心の特大ブラックホールのイベントホライズンの影を撮像できるか？
• RQ2 一般相対性理論のカー計量による予測通り、ブラックホールの影の期待される角直径と形状は何か？
• RQ3 銀河間空間の散乱および望遠鏡の分解能が、ブラックホールの影の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 偏光シグネチャーは、ブラックホールの降着構造の特定および影の存在の確認にどのような役割を果たすか？
• RQ5 さそり座A*の約1 mmにおける観測されたスペクトルの折り返し点は、ブラックホールに一致するコンパクトで暗黒な物体の存在をどの程度まで裏付けるか？

主な発見

• さそり座A*の影は、約30ミクロアーセコンドの見かけの直径を示すと予測され、ブラックホールのスピンや視点に依存しない。これは約5シュバルツシルト半径に相当する。
• 光学的厚さから薄さへの遷移は1 mm近辺で発生し、ここで源が透過性を示すため、ブラックホールの影が輝度の低下として観測可能になる。
• 1.5 mm、1 mm、0.67 mmにおける偏光マップは、明確なパターンを示し、グローバルVLBIアレイで分解可能である。また、スペクトルの折り返し点で偏光ベクトルが90°反転する。
• 銀河間空間の散乱は、長波長帯での分解能を制限するが、散乱と望遠鏡分解能の両方の影響は、楕円体的および球対称なガウス型フィルターを用いてモデル化可能である。
• 磁気力学的流れと光の屈曲効果を組み込んだ光線追跡シミュレーションにより、影がミリメートル/サブミリメートル画像において安定的かつ観測可能な特徴であることが確認された。
• 今世紀の10年以内に、ブラックホールのイベントホライズンの直接撮像が実現すると予想され、距離が近く、角サイズが適切なことから、さそり座A*が主なターゲットとなる。