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巨大ブラックホール ジェットの形成機構の謎 紀 基樹 (KASI: 韓国天文宇宙科学研究院)

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Page 1: 巨大ブラックホール ジェットの形成機構の謎 - …巨大ブラックホール! ジェットの形成機構の謎 紀 基樹 ! (KASI:!韓国天文宇宙科学研究院)

巨大ブラックホール  ジェットの形成機構の謎

紀 基樹   (KASI:  韓国天文宇宙科学研究院)  

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今日のお話

巨大ブラックホールジェットの形成機構の謎    “加速•収束機構,  粒子加速、相対論効果、磁場の働き”        (from  嶺重さんからのリクエスト)  の研究の現状をレヴューする。      “Blandford-­‐Znajek機構のテスト?!”    についての現状をレビューする。    最後に、残された謎にVLBI  (EHT,  KaVA,  VLBA  etc)  でどこまで迫れるか?    について簡単に話します。

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Blandford-­‐Znajek  mechanism  

 Blandford  and  Znajek  1977,  MNRAS

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Blandford-­‐Znajek  (BZ)  1977  proposed  “electromagneMc  extracMon  of  energy  from  Kerr  black  holes”.

For  a~O(1),  the  extracted  PoynMng  power  can  be  comparable  to    observaMonal  requirement.  

Assuming  “Split  monopole  B-­‐field”  

Force-­‐Free  magnetosphere  in  staMonary  Kerr  space-­‐Mme.  expansion  in  powers  of  a  i.e.,  “slow  rotaMon  (a<<1)  

approximaMon”.  

Cascade  producMon  of  e+e-­‐  pair  (<=  current  carrier)  via    vacuum  breakdown  due  to  “spark-­‐gap  (non-­‐zero  E•B)”  

類似:  誘導モーター:  磁石を回転    ⇒  誘導電流  ⇒  =>j×B  force          (但し、BZはpoyn6ng  flx)  

BZ77,    split  monopole

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Black  holes  the  membrane  paradigm  

BH=  badery  (平行電波)  ~粒子加速      電池に導線をつなぎ、  電流が流れ、電流回路  が閉じて初めてBZ機構  がBH回転エネルギーの  抽出機構として機能する。    

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Beyond  split-­‐monopole  B-­‐field

•  Steady  Force-­‐Free:  BZ77  (split-­‐monopole)  

•  Steady  Vacuum:  Pederson+74,  75=>  ring-­‐current  at  the  equatorial  plane  of  Schwarzschild  and  Kerr  metric;  Ghosh00  =>  vector  potenMal  of  vacuum  B-­‐field  mulMpole  expansion  in  Schwarzschild  metric;  Tomimatsu  &  Takahashi  01  =>  magnetosphere  around  BH  and  thin-­‐disk  

•  GRMHD  code:  Time-­‐dependent  FF  by  McKinney  &  Gammie  04;  Stability  analysis  of  BZ  by  Komissarov  01,  04;  large  scale  simularion  by  McKinney  06  

 

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McKinney  (2006)  MNRAS   Beyond  split-­‐monopole  B-­‐field

a=0.9375    t=1.4*10^4  t_g    -­‐iniMal  condiMon    plasma  donut  with  plasma  beta=100  pure-­‐poloidal  field    

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McKinney  (2006)  MNRAS  

Light  cylinder

ergosphere

ingoing-­‐Alfven    (see  Takahashi  90)

outgoing-­‐fast

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Beyond  a<<1  approximaMon

•  PerturbaMve  approach:  Including  a^4  term  (Tanabe  &  Nagataki  08).  

•  GRMHD  code  (HARM)  approach:  Tchekhovskoy+10  (TNM10  hereaser).  TNM10  analyMcally  derive  the  formula  of  P  by  expanding  P    upto  Ω_H^6  and  it  is    applicable  up  to  a~1  and  confirm  its  validity  by  HARM.  

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Tchekhovskoy+  10  

α=1.38      β=  -­‐  9.2    this  minus  sign  do  a  good  job  for  reproducing  the    fladening  at    a>0.95        

GRMHD数値実験を良く再現する解析解(灰色)

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Comparison  with  observaMons

•  Observed  correlaMons  between  accreMon  and  jet  powers,  radio-­‐loud/quiet  dichotomy,  FR  I/II  dichotomy  etc  can  be  explained  in  the  framework  of  “BH  spin  paradigm”  (e.g.,  Allen+06;  Sikora+07;  Baum+95,  Volonteri+  and  many  others).  

•  Happy  end  w/  “BH  spin  paradigm”!  True?  

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For  me,  there  are  elephants  in  the  room…

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Is  BZ-­‐mechanism  really  at  work?    Below  are  criMcal  quesMons  (my  personal  view).   •  Force-­‐Free  (FF)  is  realized?  •  Measurement  of  BH-­‐spin?  •  Is  “spark-­‐gap”  realized?    (original  BZ77ではvacuum=>FFのために必須だった。モダンBZでは、accreMng    plasmaを用いてFFを実現できているため(?)  E//    は必須ではなくなった?  しかしながらfloor  modelが,  spark-­‐gapでのpair  creaMonの不整合な代用になってないか?が心配。Komissarov04でE//    は維持されると主張。stagnaMonの重要性  by  Broderick+15)  •  How  to  produce  non-­‐thermal  e-­‐e+  

at  the  FF  region?    (最新鋭のVLBIによるM87観測は、すでにBadery領域の空間スケールに到達している。この電波放射を起こす非熱的電子の生成は、極端なlow-­‐plasma-­‐beta領域においては自明ではない。リコネクションの可能性?)  

 •  Return  current  in  accreMon  flow?    (そもそも観測が至難の技。バッテリー部分の形状、構造の鍵。)  

 •  How  to  convert  PoynMng  power  to  

kineMc  one?    (いわゆるσ問題。TNM10はfast  surfaceまで追ってない?  McKinney06のequiparMMon  では道半ば。)  •  Velocity  field  is  consistent?    (vはσと共に本質的な物理量.  field  profileのBH  スピンaへの依存性は未調査。観測的にもvelocity  field計測は、不十分。KaVA  AGNのキーサイエンス。)  

Badery  (BH  +  FF  B-­‐field)  

Load/Current  

ResisMve  Badery?

Load/Current  

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There  is  a  hope  

VLBI  is  an  earth-­‐sized  (baseline:  D_max~10000km)  radio  telescope  with  ultra  high  spaMal  resoluMon  <1mas  with  VLBI,  we  can  indeed  explore  in  the  vicinity  of  SMBHs.  

KaVA  (KVN  and  VERA)   VLBA   EHT  (Event  Horizon  Telescope)  

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Hada,  MK,  Doi  et  al.  (2013),  ApJ,  775,  70  

Our  strategy:  Focusing  on  M87    

-­‐ Rs        =  2GM/c2       =  1.9×1015  cm                    -­‐  θs    =  7  μas    

radio    core

M87  at  43GHz    

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Upstream-­‐end  of  SSA-­‐thick  radio  core  is  located!

2GHz

5

8 24

15

43

Hada,  Doi,  MK+  (2011)  Nature,  477,  185  

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Force-­‐Free  (Ue/UB<<1)  is  realised?

 Hada,    Doi,  Kino  et  al.  2011,  Nature,  477,  185 Hada,  Kino,  Doi  et  al.  2013,  ApJ,  775,  id.70  Doeleman,  Fish,  Schenck  et  al.  2012,  Science,  338,  355  Kino,  Takahara,  Hada,  Doi,  ApJ,  2014,  786,  5  Kino,  Takahara,  Hada,  Akiyama,  Nagai  &  Sohn,  2015,  ApJ,  803,  30

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Breakthrough

l  The  detecMon  of  radio-­‐core’s  posiMon  shis  (core-­‐shis,  hereaser)  at  the  jet  base  of  M87  (Hada  et  al.  2011,  Nature)  means  that  the  radio  core  is  SSA-­‐thick  ν_ssa  =  ν_obs  up  to  43  GHz  and  also  the  core-­‐shis  is  verified  at  86GHz  by  Rioha  et  al.  2011).    

l  The  230GHz  emission  region  size  at  the  jet  base  of  M87    has  been  measured  by  Event  Horizon  Telescope  (EHT)  (Doeleman  et  al.  2012,  Science).  The  derived  FWHM  angular  size  is  θ=40  μas.  

l  Using  these  accurate  ν_ssa  and  θ,  then  we  can  uniquely  determine  B  (field  strength)  and  Ke  (electron  content)!  

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Simple  but  robust!    We  can  uniquely  determine  B  and  Ke

Let’s  apply  this  general  formula  to  EHT  data@230GHz.

Kino+  14,  15  

radio  core

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Single-­‐zone  (θFWHM=40μas,  1Jy)  esMmate  leads  to    Btot~  300  gauss  i.e.,  too  large  L_poy.

θ_FWHM * 1.8 =72 µas The 1.8 factor by Marscher (1983)

If the field strength is,

then the Poynting power below exceeds L_jet, max ~ 5*1044 erg/s

?

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SSA-­‐  thick

SSA-­‐thin

SoluMon:  ParMally  SSA-­‐thick  (two-­‐zone) EHT  region

•  The  idea  of  parMal-­‐SSA-­‐thick  region  can  avoid  too-­‐large-­‐L_poy  problem  because  B  ∝  νssa  ^5.    

•  BH-­‐shadow  may  be  hidden  by  SSA-­‐thick  region.

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EsMmate  of  SSA-­‐thick  region  size  and  flux

SSA-­‐thick  21μas,  0.27Jy

With  phased-­‐ALMA  &    USA  staMons,  S_thick    is  testable!

Kino+  15  

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Allowed  log  (U±/UB),  Btot  ,  γ  ±,min  in  the  SSA-­‐thick  region  

We  find  “U±<<UB(i.e.,  FF)”.  

Kino+  15  

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Summary:  “FF  is  realized?”

Only  using  the  standard  physics  synchrotron-­‐self  absorpMon  (SSA)  and  the  230GHz  emission  region  size  measured  by  EHT,  we  find  that              “FF  is  realized  unless  the  EHT  region  is  fully  SSA-­‐        thin@230GHz  and  relaMvisMc  proton  dominated”.    

Kino  et  al.  2015,  ApJ,  803,  30  

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残された謎にVLBIでどこまで迫れるか?  

Hada,  Kino,  Doi  et  al.  2015,  ApJ,  submided  KaVA  AGN  sub-­‐WG’s  challenge  East  Asia  VLBI  Network’s  challenge

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Is  BZ-­‐mechanism  really  at  work?    Below  are  criMcal  quesMons  (my  personal  view).   •  Force-­‐Free  (FF)  is  realized?  •  Measurement  of  BH-­‐spin?  •  Is  “spark-­‐gap”  realized?    (original  BZ77ではvacuum=>FFのために必須だった。モダンBZでは、accreMng    plasmaを用いてFFを実現できているため(?)  E//    は必須ではなくなった?  しかしながらfloor  modelが,  spark-­‐gapでのpair  creaMonの不整合な代用になってないか?が心配。ちなみにKomissarov04でE//    は維持されると主張。)  •  How  to  produce  non-­‐thermal  e-­‐e+  

at  the  FF  region?    (最新鋭のVLBIによるM87観測は、すでにBadery領域の空間スケールに到達している。この電波放射を起こす非熱的電子の生成は、極端なlow-­‐plasma-­‐beta領域においては自明ではない。リコネクションの可能性?)  

 

•  Return  current  by  accreMon  flow?    (そもそも観測が至難の技。バッテリー部分の形状、構造の鍵。)  

 •  How  &  where  to  convert  PoynMng  

power  to  kineMc  one?    (いわゆるσ問題。  McKinney06のequiparMMon  では道半ば.)  •  Velocity  field  is  consistent?    (vはσと対になる本質的な物理量.  field  profileのBH  スピンaへの依存性は未調査。観測的にもvelocity  field計測は、不十分。KaVA  AGNのキーサイエンス。)  

Badery  

Load/Current  

ResisMve  Badery?

Load/Current  

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Can  we  see  any  imprint  of  accre6on  flow  with  VLBI?

VLBA@86GHz,  possessing  highest  resoluMon  imaging  capability,  can  explore  this  spaMal  scale.        

Stay  tuned  to  next  Hada-­‐san’s  talk!    

McKinney  (2006)  

low  β  (FF)  

β=1  

β=3  

unbound  

bound  

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10 102 1 103 104

Lorentz factor

Specific Matter energy flux

KaVA’s  dense  monitoring  will  clarify  velocity  field

Distance from black-hole (Rg unit)

McKinney  (2006)  

“Key-Zone” @1~10mas

Niinuma-­‐san  will  talk    about  this  in  details!  

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Summary

•  Using  ultra  high  resoluMon  VLBI  data  and  standard  physics,  we  indeed  can  test  BZ-­‐mechanism  at    M87.    

•  We  find  that  “FF  is  realized  unless  the  EHT  region  is  fully  SSA-­‐thin@230GHz  and  relaMvisMc  proton  dominated”.  (Kino+15)  

•  KaVA  array’s  intensive  monitoring  of  “Key-­‐zone@M87”  is  essenMal  for  Poyn6ng-­‐to-­‐kine6c  conversion  process.    

•  mm/sub-­‐mm  VLBI  is  essenMal  for  tesMng  BH-­‐mechanism  at  M87.  NRO  baselines  are  important  for  discriminate  BH-­‐shadow  model.