今回の目的 ブランドフォード ナエク機構での電磁場エネルギー密度 e EM - ボイヤ リンキスト座標 : e EM < 0 - カー シルト座標 : e EM > 0! 果たして, そういうことはありえるのか? はっきりさせる. 今回, カー シルト座標における電磁エネルギー密度とエネルギー流束の

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1 第 9 回ブラックホール磁気圏勉強会 ( 水 )@ 夕張マウントレースイホテル ブラックホール回転エネルギーの 電磁場による因果的引抜き Ⅱ 熊本大学理学部小出眞路 2 年前の第 7 回磁気圏ブラックホール研究会において, 電磁エネルギー密度とエネルギー流束密度の関係式を示しまだ, この論文を読み込んでいません, ブラックホール地平面においては負の電磁気的エネルギーがブラックホールに 落下 するとしてブラックホール回転エネルギーの引き抜き機構が因果律的に理解できることを述べた. 最近,K. Toma & F. Takahara (2016) はボイヤー リンキスト座標およびカー シルト座標においてフォース フリーのプラズマが磁力線に沿ってブラックホールに連続的に入射される非定常な過程の解析的モデルを提示した. そこで電磁エネルギーの符号は座標系に依存し, 負の電磁気的エネルギーの落とし込みは本質的でないと結論している. 内容にはあまり言及しません すいません

2 今回の目的 ブランドフォード ナエク機構での電磁場エネルギー密度 e EM - ボイヤ リンキスト座標 : e EM < 0 - カー シルト座標 : e EM > 0! 果たして, そういうことはありえるのか? はっきりさせる. 今回, カー シルト座標における電磁エネルギー密度とエネルギー流束の関係式を示す. それにより,Toma & Takahara (2016) の結論の検証を行う.

3 因果律問題 (Punsly & CoroniD 1990 ) ブランドフォード ナエク機構 (BZ 機構 ) Blandford, Znajek (1977) フォース フリー条件 (E fluid << E EM ), 定常 軸対称 カー メトリック ( ボイヤー リンキスト座標 ) a << 1 ( ブラックホールの回転パラメータ ) ブランドフォード ナエク解 (split- monopole field) 地平面での物質 エネルギー 情報の流れる方向は外から内のみ. もちろん, 張力の働く方向も! Ω = M a 4M カー ブラック Ω H ホール Ω F S r = χ ν T rν Ω 地平面 磁力線 エネルギー流束密度 時間的キリングベクトル 磁力線の回転角速度 地平面での空間の引きずり角速度 ( Ω Ω ) 4 元電磁場応力テンソル 0 < Ω < Ω S r > 0

4 Transport of electromagnedc energy and Unit system angular momentum General relativistic equations of conservation laws: µ T µν = 0 (energy and momentum) ElectromagneDc energy- momentum tensor Maxwell equations: Field strength tensor µ F µν = J ν µ * F µν = 0 dual tensor of Fµν Force-free condition: F µν J ν = 0 4- current density c = 1 µ 0 = 1 Kerr Metric: ( x 0, x 1, x 2, x 3 ) = ( t,r,θ,φ) ( ) 2 Lapse funcdon: α = h h i ω i ShiV vector: β i = h i ω i /α i β = β 1, β 2, β 3 (gravitadonal Dme delay) (velocity of dragged frame) ( )

5 Several coordinates around rotating black hole Boyer- Lindquist coordinates, Kerr- Schild coordinates coordinates of global frame ds 2 = g µν dx µ dx ν (primary) LNRF, (spadally oblique in general) vector and tensor ds 2 = dt 2 + ds 2 = dˆt 2 + i i g ij dx i dx j LNRF with tetrad (spadally orthogonal) ( dˆx i ) 2 Co- moving frame scalar variables cβ φ 数値計算に有効 vector and tensor Ω H Kerr BH ZAMO frame (Similar to that of Minkowski metric) 直感的理解に有効 ( 物理量が直感的に計算できる )

6 Transport of energy and angular momentum Killing vector for Kerr space- Dme ξ ν : χ ν = ( 1,0,0,0) η ν = (0, 0, 0,1) conservadon of energy and angular momentum: e = αχ ν T 0ν = α ê + ω φ ˆl φ ( ) = e EM l φ = αη ν T 0ν = l φ EM S i = αχ ν T iν = S i EM e = S t (energy conservadon) l φ M i = αη ν T iν = M i EM t = M (angular momentum conservadon ) Here, e = α ˆB 2 EM 2 + Ê ω φ l φ EM S EM = α 2 ( Ê β ˆB ) ( ˆB + β Ê ) (electromagnedc energy flux density) (electromagnedc energy density) l φ = h EM 3( Ê ˆB ) φ M EM = α 2 h 3 ˆB2 2 + Ê 2 2 (electromagnedc angular momentum density) ( ) 3 β δ i 3 ˆB 3 ˆB Ê 3 Ê + Ê ˆB (electromagnedc angular momentum flux density)

7 When we can write Ê = ˆv F ˆB ( ˆv F = ˆv F + ˆv F// ˆv F ˆB, ˆv F// / / ˆB), φ φ φ In general,we have electromagnedc energy- at- infinity: = α ˆB Ê 2 2 e EM + ω l = α ˆB 2 1 EM 2 1+ v F ( ( ) 2 ) + ˆβ ˆv F electromagnedc energy flux density: S EM = α 2 ( Ê ˆβ ˆB ) ˆB + ˆβ Ê = αe EM ( ˆv F + ˆβ ) + α 2 ( ) ( ) ˆB2 ˆv F + ˆβ 2 1 v 2 F ( ) 2( ˆβ ˆB ) ˆB

8 P S EM Energy flux in the case of Force- free(blandford- Znajek mechanism) Maxwell EquaDons and force- free condidon yield At r r H At v F = h φ Ê = ˆv α (Ω F ˆB, F ω φ )e φ, ˆv ˆv F = F 1+ ( ˆB φ / ˆB = ˆv F P ) ˆv F r r H (horizon), ˆv F 1 = αe EM ω φ Ω H ω φ Ω H ( ˆv F + β ) and we can write ˆv F Ω Ω φ φ ˆB ϕ ˆB h φ P α (Ω Ω ) F H Near the horion,v F always directs toward the horizon. magnedc Ω Ω field lines ˆv F ˆv F φ φ φ = ˆB P ˆB (Znajek condidon)

9 Causal extracdon of black hole energy in Blandford- Znajek mechanism:electromagnedc negadve energy Near the horizon: e EM ˆB = e EM = α 1 2 (1+ ˆv 2 F ) + β φ φ ˆv F ˆB 2 Ω F α ˆB Ω F Ω H ( ) 2 ( ˆB φ ) 2 + ( ˆB P ) 2 ˆBφ = R α (Ω F Ω H ) ˆB P = α ˆB v F P S EM = αe EM ( ( ) 2 ) + β ˆv F 2 R H φ α Ω F (Ω F Ω H )( ˆB PH ) 2 φ ˆv F Poloidal component of magnedc field ( ˆv F + β ) R 2 H Ω F (Ω F Ω H )( ˆB PH ) 2 ( ˆv F + β ) = ˆB P ˆB φ 2 φ ˆv F = ˆB P ˆv F 0 < Ω F < Ω H In this case, electromagnedc energy is radiated. This is well- know condidon where Blandford- Znajek mechanism works. Furthermore, we found e EM < 0 i.e. energy is negadve.this means even in the Blandford- Znajek mechanism, (electromagnedc) negadve energy is udlized for the energy extracdon of black hole. ˆv F = φ ˆB ˆv F 1+ ˆv F 2

10 電磁場によるブラックホール回転エネルギーの引抜き機構のまとめ ( Koide & Baba 2014 ) 機 構 ー 機構 ペンローズ過程 ( 参考 ) 磁気的ペンローズ過程 force-free ブランドフォード ナエク機構 MHD ブランドフォード ナエク機構 MHD ペンローズ過程 超放射 負のエネルギーの形態 粒子の力学的エネルギー 荷電粒子の力学的エネルギー電磁気的エネルギー 電磁気的エネルギー プラズマの力学的エネルギー 角運動量の再配分をするトルク 粒子の分裂 相互作用の力 電磁気的力 電磁気的張力 (force-free) 電磁気的張力 (MHD) ローレンツ力 電磁波の電磁気的量子効果によるエネルギー Half-mirror 効果 出てくるエネルギーの形態 粒子の力学的エネルギー 参考文献 Penrose (1969) 荷電粒子の力学的 Wagh (1989) エネルギー電磁気的エネル Blandford & Znajek (1977) ギー電磁気的エネル Takahashi et. al(1991); ギーとプラズマの運 Koide (2003); Komissarov 動エネルギー ( アル (2005) ベン波 ) 電磁気的エネル Takahashi et. al(1991); ギーとプラズマの運 Koide (2003); Komissarov 動エネルギー ( アル (2005) ベン波 ) 電磁波の電磁気的エネルギー Press & Teukolsky (1972); Lightman et. al (1975) 磁気リコネクションによる機構 プラズモイドの力学的エネルギー 磁気リコネクションにプラズモイドの力学よる電磁気的張力的エネルギー Koide (2009)

11 BZ 機構の負の電磁エネルギーによる因果的理解 (2013 年秋季天文学会,Koide 2014 PRD) 一般に負の電磁エネルギーを介してブラックホールの回転エネルギーの引き抜き機構を因果的に理解できることをボイヤー リンキスト座標 ( カー メトリック ) において示した. Ê = ˆv F ˆB ü のを電磁場の移動速度とする. ü 地平面では電磁場エネルギー密度 e EM と電磁場エネルギー流 P 束密度の関係が次のような式で表される. P S EM ˆv F = 1 αe EM h r ( ˆv F + β ) ü 電磁場によるブラックホール回転エネルギーの引き抜きはのときに起こる. e EM < 0 S EM ラプス関数 g rr ここでの議論は全てボイヤー リンキスト座標により行った ドリフトベクトル P S EM ブラックホール ˆv F e EM < 0 地平面 0 < Ω < Ω

12 負の電磁エネルギーの落とし込みによる BZ 機構の説明に対する異論 ( 當真さん ( 東北大 )2015 年日本天文学会春季大会, K. Toma & F. Takahara 2016) 電磁場のエネルギー密度 e EM は電磁場のエネルギー密度, エネルギー流束密度の成分であり, スカラーではない. それゆえ, 電磁場エネルギー密度 e EM の値は座標系に依存する. ブランドフォード ナエク機構での電磁場エネルギー密度 e EM - ボイヤ リンキスト座標 : e EM < 0 - カー シルト座標 : e EM > 0! それゆえ, 負の電磁場エネルギーをブラックボールに落とし込むことによりブラックホールの回転エネルギーを引き抜くという解釈は間違っている! 果たして, そうか?

13 回転するブラックホールのまわりの時空を表す座標 ボイヤー リンキスト座標 ( カー メトリック ) ds 2 = g µν dx µ dx ν = 1 2Mr Σ dt 2 + Σ Δ dr 2 + Σdθ 2 + A Σ sin2 θdφ 2 2 2Mar Σ sin2 θdφdt. カー シルト座標 ( カー シルト メトリック ) ds 2 = 1 2Mr Σ dt ' 2 2a 2Mr Σ sin2 θdt 'dφ '+ 2 2Mr Σ dt 'dr ' Mr Σ dr ' 2 2a 1+ 2Mr Σ sin 2 θdr 'dφ '+ Σdθ ' 2 + A Σ sin2 θdφ ' 2. t' t 光円錐 座標変換 Mr dt ' = dt + 2 Δ dx1 = dt + 2 Mr Δ dr r' = x 1' = x 1 = r θ ' = x 2' = x 2 = θ dφ ' = dx 3' = dx 3 + a Δ dx1 = dφ + a Δ dr. O r' r ボイヤー リンキスト座標 カー シルト座標

14 S t が負であれば S t も負となること : 幾何学的理解 電磁場のエネルギー密度 : Mr dt ' = dt + 2 Δ dr r' = r (S r が正のとき ) e EM t' t = αs EM t 光円錐 S r EM =Sr EM 電磁場の 4 元エネルギー密度 エネルギー流束密度ベクトル S µ µν EM = χ ν T EM 時間的キリングベクトル r S μ EM S μem 0 4 元電磁場応力テンソル ( 電磁エネルギーが光速度を越えて伝播しないという条件 ) ボイヤー リンキスト座標 (t, r, θ, φ) 0>S t EM 0>S t EM S μ EM =Sμ EM r' カー シルト座標 (t, r, θ, φ )

15 S t が負であれば S t も負となること : ブラックホール地平面の極近傍での証明 ボイヤー リンキスト座標とカー シルト座標の変換則は dt ' = dt + 2 Mr Δ dr なので, S t = χ ν T tν の変換性は. St ' = S t + 2 Mr Δ Sr 先に得られた地平面近傍での電磁場のエネルギー流束密度と密度の関係 を用いると, v r F 1より P S EM e = αs t = 1 αe EM h r より t ' S = S t + 2 Mr S t v r = S t Δh r 1+ ( ˆv F + β ) ( 2Mr) 2 v r A Mr Δ Δ Σ ( 2Mr) 2 A ΔΣ A vr = St 1+ ( 2Mr) 2 A 地平面の外では (2Mr) 2 <A=(r 2 +a 2 ) 2 - a 2 Δsin 2 θ であるので,S t EM と St EM は同じ符号である. > 0 v r ( 証明終り )

16 S t が負であれば S t も負となること : 数学的証明 ( 助言 : 高橋労太さん ) ボイヤー リンキスト座標とカー シルト座標の変換則は dt ' = dt + 2 Mr Δ dr なので, S t ' = S t + 2 Mr Δ Sr ( S µ µ = S ) 以下では, 座標系で電磁場エネルギーの符号が変わり得る場合として S r >0,S t <0 とする. 電磁場のエネルギー密度 エネルギー流束密度ベクトル S μ は ε = S μ S μ 0 である ( 光速度を超えてエネルギーが伝わらないという条件 ). S µ S µ + ε = g φφ ( S φ ) 2 + 2g tφ S t S φ + g tt S t S φ は実数なので, ( g tφ S t ) 2 g φφ g tt S t ( ここで,ε 0) ( ) 2 + g rr ( S r ) 2 + g θθ ( S θ ) 2 + ε = 0 ( ) 2 + g rr ( S r ) 2 + g θθ ( S θ ) 2 + ε

17 ボイヤー リンキスト座標の計量 ( カー メトリック ) g tt = 1 2Mr Σ,g rr = Σ Δ, θθ = Σ,g φφ = A Σ sin2 θ,g φt = 2Mar Σ sin2 θ A = ( r 2 + a 2 ) 2 a 2 Δsin 2 θ,σ = r 2 + a 2 cos 2 θ,δ = r 2 2Mr + a 2 より, Δsin 2 θ S t ( g tφ ) 2 g φφ g tt = Δsin 2 θ なので, ( ) St ( ) 2 = ( g tφ ) 2 g φφ g tt r>r H では Δ>0 であるので, ( S t ) 2 > A ( S r ) 2 Δ 2 さらに,A > (2Mr) 2, なので, すなわち, ( ) 2 A Σ sin2 θ Σ ( ) 2 Δ Sr + Σ( S θ ) 2 + ε St 2Mr Δ Sr St ' = S t + 2Mr Δ Sr < 0 ( 証明終り )

18 ここまでのまとめ ボイヤー リンキスト座標とカー シルト座標において電磁場エネルギー密度の符号は不変であることを 3 つの方法で確かめた. 座標系によらずブラックホール回転エネルギーの電磁気的な引き抜きは負の電磁場エネルギーを介していると説明できることを確認した.

19 Kerr-Schild 座標系でのエネルギーの輸送 BZ 機構においてはブラックホール地平面および内部で本当に負の電磁場エネルギーによりエネルギーが外向きに運ばれているのか? Kerr-Schild 座標系で,e と S の関係式を見る ブラックホールの地平面 内部での S と e の状況を確認する.

20 Kerr-Schild 座標系でのエネルギーの輸送 : ds 2 = g µν dx µ dx ν ds 2 = dt 2 + ds 2 = dˆt 2 + Force- Free: i i g ij dx i dx j ( dˆx i ) 2 ν T µν = 0 (Boyer- Lindquist 座標,Kerr- Shild 座標 ) (LNRF 座標 ) ( テトラッド LNRF 座標 ) S µ = χ χ ν ν T µν = ( 1,0,0,0) (Killingベクトル) µ S µ = 1 g ( µ gs µ ) = 0 T µν = F µρ F µ ρ 1 4 gµν ( F ρσ F ) ρσ S 0 = 1 α S 0 S i = S i + β i S 0 g = h 1 h 2 h 3 t S 0 = 1 h 1 h 2 h 3 x i ( h 1 h 2 h 3 αs i ) = ( αs ) ( 電磁エネルギーの保存式 )

21 ( ) = e ( T i0 + β j T i ) j S 0 = χ ν T 0ν = α T 00 + β i T 0 i S i = χ ν T iν = α S = S ˆ i e = Ŝi ˆe = S テトラッド座標において ˆ S ˆ = αe ( ˆ ) ˆv F + β + α 2 すなわち, S = αe v F + β S i = αe 成分で書くと, ( ) + α 2 ( v i F + β i ) + α 2 ˆ E = ˆv F B ˆ ( ) B 2 1 ˆv F 2 1 v F 2 1 v F 2 2 とできたとすると ˆ v ˆ + ( ˆ ) ˆ β β B B F ( ) 2 ˆ ( 2 ) B 2 v F + β ( k v ) k F,k B ( ) 2 ( β B ) B ( B )( i k v F + β i ) 2 β k B k ( ) B i

22 S i = αe ( v i F + β i ) + α 2 S i = αe ( k v ) F,k B k B k 2 1 v F vˆ F = 1? ( v i F + β i ) 地平面 まだ, v F の具体的な表式を得てはいないが, ブラックホールの地平面および内部で v F =1 となっているとは到底思えない ( ) i v F βˆ ( + β i ) 2 β k B k ブラックホール内部 ( ) B i 磁力線 vˆ F ˆv = 1? F

23 Constants along magnedc surface in stadonary, axis- symmetric MHD case on Kerr- Schild coordinates ( t, s,ψ,φ) coordinates: B Ψ = 0 B s (Ψ) = h Ψ h φ B s (div B=0) Ω F (Ψ) = α ( v φ + β φ ) ˆB s B φ v s + β s ( ) 地平面 βˆ vˆ F s Ψ 磁力線 v Ψ + β Ψ = 0 ブラックホール内部 ( ) B φ ( β Ψ B Ψ + β s B ) s v Fφ I(Ψ) = α γ φ 1+ β Ψ v FΨ + β s v Fs J Ψ + ρ e β Ψ = 0 (force- free) t = φ = 0

A

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