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1 抵抗性相対論的 MHD の因果律について < 一般化相対論的 MHD 事始め > 熊本大学理学科 小出眞路 ブラックホール周辺で磁気リコネクションを伴うプラズマの研究で用いられる標準的な抵抗性相対論的 MHD(RMHD) の因果律の問題を提起し, 一般化 RMHDの因果律について議論する 時間があれば, 一般化 GRMHD 方程式の導出とその示唆する現象について紹介する プラズマセミナー ( 木 国立天文台

2 標準的抵抗性 RMHD の因果律問題 と一般化 RMHD ( 相対論的 MHD) MHD 的天体物理ワークショプ ( ( 月 )@ 国立天文台 ): 対プラズマ中の電磁波の伝播と因果律を満たす相対論的 MHD 相対論的 MHD(RMHD) において電気抵抗を入れると電磁波モードが現れる よく用いられる一般化されたオームの法則その群速度は光速度を超える 超光速通信が可能か? 因果律はどうなる? 因果律を満たす抵抗性 RMHD 方程式の提案

3 抵抗性 RMHD による電磁波の伝播解析と因果律の問題の研究概要 ( 経緯 ) 抵抗性相対論的 MHD( 抵抗性 RMHD) の数値計算 : 因果律を満たすか? ( 去年の春の天文学会 ) 007 年 単純な相対論的オームの法則を用いた相対論的 MHD では電磁波の群速度が光速度を超える 群速度が情報の伝播速度を与えるとすると因果律が破綻する ( 例 : 今日の株の情報を昨日の自分に教えるマシンの開発が原理的に可能 ) 群速度の定義の再検討 : 群速度は本当に情報の伝播速度を表しているのか? 相対論でも同じでよいか? 近似的解析解 数値計算解 ( 数年前 ) ( 今年の 7 月ごろ ) ( 昨年 ) 群速度の定義は ω/ k で情報の伝播速度を与える! ( 今年 1 月頃 ) 005 年頃 008 年

4 抵抗性 RMHD による電磁波の伝播解析と因果律の問題の研究概要 ( つづき ) 超光速度通信の可能性 : 今日の株の情報を昨日の自分に送ることが原理的にはできる 用いられてきた抵抗性 RMHD 近似式を電子陽電子対プラズマの 流体近似により再検討 超光速度通信の可能なパラメータ領域 : プラズマパラメータが 1 以下! プラズマ中を伝播する電磁波については超光速度通信は 不可能! Causal RMHD の提案 電子 陽電子の慣性項の重要性 S. Koide, Physical Review D, vol 年 ( 今年の 7 月ごろまで ) ( 今年 1 月頃 ~) ( 今年の 7 月ごろ ) ( 今年の 8 月 )

5 抵抗性 RMHD を用いる動機例 : ブラックホール磁気圏 (Coroa) Closed magetic field lies betwee ergosphere ad disk Magetic Field Lies Plasma Disk Black Hole Ergosphere Plasma Black Hole Magetosphere

6 Iitial coditio of Ideal GRMHD simulatio S. Koide, T. Kudoh, K. Shibata (006) PRD Coroa: hydrostatic backgroud pressure Ergosphere Magetic bridge (Specific-heat ratio: ) Γ 5/ 3 Disk: Kepler rotatio t 0 Solid white lie: Magetic field lie Color: log ρ Almost maximally rotatig Black hole a J J max

7 Solid lie: Magetic field surface Color: log ρ Arrow: Velocity S. Koide, T. Kudoh, K. Shibata (006) PRD

8 Magetic cofiguratio of fial stage: Numerical magetic islad t 110τ S Magetic islad (Plasmoid) : Numerical Ideal GRMHD: No magetic recoectio Magetic Islad: Numerical Ati-parallel magetic field Solid lie: Magetic flux surface Color: log ρ Arrow: Velocity

9 ブラックホール磁気圏の理想 GRMHD( 一般相対論的 MHD) 数値シミュレーションの示唆する現象 (Koide, Kudoh, & Shibata 006; McKiey 006) 磁力線 磁力線 ジェット カーブラックホール プラズマ円盤 エルゴ領域 カーブラックホール プラズマ円盤 エルゴ領域 理想 GRMHD ( 電気抵抗ゼロ ;η0)

10 ジェット カーブラックホール 磁力線 プラズマ円盤 エルゴ領域 カーブラックホール 磁力線磁気リコネクション プラズマ円盤 エルゴ領域 理想 GRMHD 電気抵抗を考慮した GRMHD 非常に速く回転するブッラクホールのまわりでは磁気リコネクションが必ず起こる!

11 数値計算で現在よく用いられている Resistive special-rmhd における電磁波の群速度 通常用いられている Resistive special-rmhd D t P t ( Dv) h pi c ε t B E t 1 e E c ρ Special relativistic mass desity, γρ Special relativistic total mometum desity 1 vv BB c ( c P Dc v) EE 1 Special relativistic total eergy desity E v B 1 c 1 E J B c t B 0 η γ B ( v E) v ( J ρ v) e E c (coservatio of particle umber) (equatio of motio) (equatio of eergy) (Maxwell equatios) (Ohm s law with fiite coductivity)

12 Dispersio relatio of electromagetic wave i resistive plasma: c k ω iω η / μ c 0 ω Ω iγ ( Ω, γ R) とおくと ηω μ c 0 ηγ μ c 0 Ω γ Ω c k μ0c η Group velocity: ω k v g c > c k, γ ( k) ( η / μ c ) 0 μ0c η ηk / μ c 0 Superlumial!

13 近似的解析解による群速度の検討 : 電磁波波束の伝播 波束の全長 波束の構成位相波長 c 1 u k ω k ω ( k ) u iu 0 D r i ( k 0) D r idi ( u u, D, D, Ω, γ R) r, i r i ω Ω iγ

14 波束の伝播速度 ( 群速度 ) 波束崩壊の拡散係数

15 数値計算による群速度の検討 k Ω k 50 σ 4 r 1. u ( ) D 4,000 T 対プラズマの流体近似で求めた対プラズマ中の電磁波の分散関係

16 電磁波波束の伝播の数値計算 ( ) Re f 1 電磁波波束の初期プロファイル t 0 k σ 50

17 u r 1.4 T D 4,000

18 超光速通信と因果律の破れ

19 ω/ k は波束の伝播速度を与える! 波束の位相波長に比べて全長が十分長ければ ω/ k は波束の伝播速度を与える 群速度 ω/ k が光速度を超えるということは, 情報を光速度を超えて送る超光速通信が可能であることを意味している 超光速通信が可能であれば,( 因果的に ) 過去に情報を送る装置を開発することが原理的に可能となる これは因果律が破綻することを意味する ( この装置を使えば今日の株価を昨日の自分に教えることができるようになる ) そんな虫のいい話はないはずで, 抵抗性 RMHD により導いた波束の計算に問題があるはず 抵抗性 RMHD の方程式を電子陽電子プラズマ ( 対プラズマ ) の 流体近似モデルから再検討 ( 再導出 ) する

20 対プラズマの相対論的 流体方程式 (4 元形式 ) : 陽電子ー : 電子

21 対プラズマの相対論的 流体方程式 (31 形式 )

22 1 流体近似のための平均化量とずれを表す量 ( ) μ μ μ μ μ μ ρ ρ γ γ ρ U U e J U m U m U m m m m ' ' 電子 陽電子の質量

23 1 流体近似方程式 ( ) ( ) Δ Δ JJ UU JU UJ J U U J e e ) ( 1 ~ ~ ) ( ~ ~ 4 1 e h e h e h h t e ρ γ ρ γ γ

24 電子流体 陽電子流体間に働く摩擦力 作用反作用の原理 : R R μ 重心系での電子流体 陽電子流体間の摩擦力 : R μ R μ μ mσv r γ ' γ ' ( i i v ' v ') ν ee σv r mν ee η e 電子流体 陽電子流体間のエネルギー交換率

25 ( ) ν ν σ U J e v m R Θ r 0 ' ( )( ) ( ) θ ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν Θ U J e U U U U J J e U J e 熱エネルギー再等分比電子流体 陽電子流体間のエネルギー交換率電子流体の運動エネルギー陽電子流体の運動エネルギー電子流体の熱エネルギー陽電子流体の熱エネルギー等分配摩擦電子流体陽電子流体 θ 1 ー θ 1 ー θ θ

26 θ0: 全く熱エネルギーの交換が行われない場合 θ1: 生じる熱エネルギーがすべて等分配される場合 θ: エネルギーの完全な交換が起こる場合

27 線形方程式 ρ ρ 0 ρ 1 V V 1 p p 0 p 1 B B 1 E E 1 J J 1 ρ ρ ρ e e0 A 0 >> A 1 e1 κ h 0 ( e) 0 0

28 電磁波の分散関係 k E 1 0 ), ( R Ω γ とすると H ην ' ee B 1 0 k t i i e A ω r k ˆ 9 1, 1 ˆ 3 H k F H k C ただし, ee 0 0 ee ' ν ρ κ η ν h ' ˆ, ' ˆ ν ee ν ee ω ω k k

29 さまざまな H での電磁波の分散関係 H ω < 1.5 であれば, < 1が証明できる k

30 H とプラズマパラメータの関係 Plasma parameter Electro-positro Coulomb collisio frequecy: where H ην ' ee mν e ee m ν h ee m h ν ω ee pe < ν ω ee pe ( l Λ) ( ε T ) 3 0 e 6 l Λ' HNP < ( l Λ' ) 6 3π 9 H > 1 NP < < 1 ~ 3

31 対プラズマについての 流体近似を用いての群速度が光速度を超えるプラズマの条件 N P >1

32 電子陽電子の慣性項の重要性無視 ( ) 1 > η ω k k k 超光速 ( ) ( ) Δ Δ JJ UU JU UJ J U U J e e ) ( 1 ~ ~ ) ( ~ ~ 4 1 e h e h e h h t e ρ γ ρ γ γ 一般化されたオームの法則 : 電子陽電子の慣性項

33 Causal Resistive RMHD equatios Geeralized ~ h 0 Δ p p

34 Geeralized Causal Resistive RMHD equatios (simplified): γh/ の空間変化を無視 : h η κ ( e) H 今後 H<1 すなわち κ>η の条件の下にこの方程式を用いた抵抗性 RMHD の数値計算を行う必要がある

35 おまけ : 因果律を満たす条件 抵抗率の上限 H η κ < 1 より η < κ 1/ h0 1 0 h [ m] Ω pe 10 m mc ε ω mc 0 1/ 銅 Cu 8 ηcu Ωm -3 ρcu 8.93 g cm M 64 6 η κ 5 10 Ωm max cu 10 9 m -3

36 まとめ 群速度の定義の検討を解析解 数値解の両面から行った その結果, 波束のスケールが特徴的な波長に比べて十分に長ければその波束の伝播速度 ( 群速度 ) は ω/ k で与えられる 対プラズマの 流体方程式より 1 流体方程式を導いた 対プラズマの 1 流体方程式により電磁波の分散関係を調べ, 群速度が光速度を超えるにはプラズマパラメータが 1 以下である必要があることを示した これはプラズマとはいえないので, プラズマ中を伝播する電磁波の群速度は光速度を超えない 以上の結果をふまえ一般化 RMHD 方程式を提案した

37 Causal Resistive RMHD の今後の課題 線形解析 プラズマ振動, アルベン波,fast 波は解析済み 流体不安定性? 一般相対論的表式の導出 (Causal resistive GRMHD) 4 元形式は導出済み 31 形式の導出電子イオンプラズマの表式の導出 ほぼ導出済み 対プラズマの表式との比較数値計算法の開発 陰解法は必要か? 陽解法のみでよいか? 特殊相対論 一般相対論 対プラズマ 電子イオンプラズマ プラズマ振動のシミュレーションによるテスト計算

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