2026年度セミナー

中尾憲一

（大阪公立大学）

電荷を持つ無限に薄い球殻の降着によるブラックホールの帯電について

活動銀河核やガンマ線バーストなどは磁場が重要な役割を担うブラックホール近傍で起きる物理現象だと考えられている．それらの理論的研究において，ブラックホールは電気的に中性であることが仮定されることが多いが，近年，ブラックホールが帯電する可能性とその影響が注目されている．例えば，講演者とその共同研究者らによって，静的なブラックホールの周りに陽子-電子プラズマが分布している場合，陽子温度と電子温度がほぼ同じならば，陽子と電子の質量の違いによる陽子の選択的降着によってブラックホールが正に帯電しうることが示された．しかし，この解析に対して，陽子と電子の間に働くクーロン引力の影響を考慮していないという批判がある．そこで，本講演では，静的ブラックホールを取り囲む電子だけから成る無限に薄い球殻と陽子だけから成る無限に球殻の２体系に注目し，クーロン引力の影響がブラックホールの帯電に及ぼす影響を議論する．

完全WKB解析を用いたブラックホール準固有振動解析の最近の進展

ブラックホール時空を背景とするスカラー場、ベクトル場、テンソル場、スピノル場などの場の摂動論は、天体物理学やホログラフィー理論において重要な役割を果たす。特に、摂動方程式の固有値問題に現れる複素振動数は準固有振動と呼ばれる。例えば、ブラックホール連星からの重力波においては、連星合体後のリングダウン重力波を特徴づける量であり、強重力下の重力理論を検証する有力な手がかりとなっている。また、ホログラフィーによるクォーク・グルーオンプラズマ（QGP）の記述においては、QGP流体の粘性がAdSブラックホールの重力摂動に対応する準固有振動として表される。これらを記述する摂動方程式は多くの場合、変数分離が可能であり、最終的には2階常微分方程式の固有値問題に帰着する。しかし、これらの微分方程式を解析的に解くことは一般に困難であり、準固有振動の計算には数値計算や限定的な近似法が用いられてきた。

近年、宮地、難波、大宮、大下により、完全WKB解析と呼ばれる数学的手法を本問題に適用する枠組みが確立された。完全WKB解析は、微分方程式の解の大域的挙動を近似に依らずに記述する手法であり、特に固有値問題に対して強力である。これにより、準固有振動の満たす条件式を厳密に記述することが可能になりつつある。

本コロキウムでは、この完全WKB解析を用いた準固有振動の計算方法と、その手法を応用した最近の研究の進展について紹介する。

Gravitational Waves from Phase Transition in a Supersymmetric Left-Right Model

強いCP問題を解決する超対称 SU(2)_L × SU(2)_R × U(1)_{B-L} 模型において、SU(2)_R × U(1)_{B-L} → U(1)_Y の対称性の破れに伴う一次相転移から生成される重力波を考察した。LHCの制約を満たすパラメータ領域において、この相転移は強い一次相転移となる場合があり、生成される確率的背景重力波はピーク周波数 0.1-1 Hz、振幅 h²Ω_GW ~ 10⁻¹⁴-10⁻¹² となることを示した。このスペクトルが将来のDECIGO/BBO計画の感度帯域と一部重なり、強いCP問題の解決機構が重力波観測によって検証できる可能性があることが分かった。

3D Newman-Penrose形式を用いた概接触計量構造の考察とshear-free geodesic congruenceを持つ完全流体空間の分類

完全流体を物質とするEinstein方程式を満たす時空やリーマン多様体は完全流体多様体などと呼ばれる。完全流体多様体がどれぐらいあるか調べることは一般相対論の黎明期から現在に至るまで興味ある問題である。しかし例え３次元であっても、これまでに対称性を仮定した厳密解がいくつか見つかっているものの、完全流体多様体を完全に分類することはかなり難しい。そこで講演者(松野)は流体の流れがshear-free geodesic congruenceになるという運動学的に比較的リーズナブルな条件の下で、3次元完全流体多様体の分類を行った。3次元完全流体多様体は、3次元概接触計量eta-Einstein多様体と同値であり、3D Newman-Penrose形式を用いた議論により、shear-free geodesic congruenceという性質は概接触幾何におけるnormalityと同値であることが分かる。従って、数学的には3次元normal概接触計量eta-Einstein多様体の分類問題となり、これは概接触計量幾何の分野でも未解明であった。講演者はRiemannianにおいてはコンパクト/非コンパクトの両方において完備性の仮定の下で分類を行った。Lorentzianにおいては非コンパクトな場合に曲率特異点を持たないという仮定の下で分類を行った。Lorentzianの場合では対称性を全く持たない完全流体時空の無限自由度の族が得られ、これはRiemannianでは対応物が存在しないことも分かった。

JWSTで見えてきた初期宇宙の謎の活動銀河核「リトル・レッド・ドット」

活動銀河中心核（AGN）は、銀河中心に存在する超巨大ブラックホールへの激しい物質降着によって莫大なエネルギーを放射する天体である。本講演ではまず、ブラックホールへ落ち込むガスがどのように光を放つのか、そして天文学者がどのような観測を通してAGNを見分けているのかを概説する。 続いて、近年の James Webb Space Telescope (JWST) による超高感度赤外線観測によって発見された、遠方宇宙の新しい天体種族「リトル・レッド・ドット（Little Red Dots）」に焦点を当てる。これらの天体は、宇宙誕生後まもない時代に多数存在していたにもかかわらず、活動銀河中心核=超巨大ブラックホールに特徴的な幅広い輝線を示すという不思議な性質を持つ。一方で、そのスペクトルの特徴は従来のAGN像とは一致しない点も多く、その正体を巡って活発な議論が進んでいる。 本講演では、JWSTが可能にした遠方宇宙観測の革新を紹介するとともに、「リトル・レッド・ドット」が初期宇宙における超巨大ブラックホール形成や銀河進化の理解にどのような新たな問いを投げかけているのかを議論する。

多重場オシロン/I-ballの形成と性質 - Friedberg–Lee–Sirlin模型における解析と数値計算 -

オシロン（I-ball）は、実スカラー場に現れる長寿命の局在振動構造であり、インフレーション後の reheating・preheating 過程や暗黒物質、重力波など初期宇宙の様々な現象との関連から近年注目を集めている。通常、局在した波束は時間発展とともに分散するが、オシロンでは非線形効果によって局在構造が長時間維持される。しかし、その形成機構や安定性、特に複数の場が存在する場合の性質は十分に理解されていない。

　本セミナーでは、まずオシロン/I-ball の基本的性質について概説し、インフレーション後の reheating・preheating 過程との関係や、なぜ長寿命局在構造が形成されるのかを初歩から説明する。その後、Friedberg–Lee–Sirlin (FLS) 模型の実スカラー版において、多重場オシロン/I-ball の存在を解析した最近の研究を紹介する。two-timing解析による存在条件の導出、および格子シミュレーションによる形成過程の数値的検証を通して、異なる質量を持つ複数の場が同一領域に局在し、一種の束縛状態として振る舞う多重場オシロンについて議論する。

大型レーザーを用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験

磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波（magnetized collisionless shocks）は、超新星残骸、太陽地球圏プラズマ、実験室プラズマなどに普遍的に存在する。低エントロピーの上流流体が衝撃波に流入すると、そのバルク運動エネルギーは、イオン・電子の加熱、磁場乱流、非熱的粒子などへと変換される。特に、超臨界のmagnetized shockでは、入射イオンの一部が衝撃波面で上流側へ反射され、foot〜ramp〜overshoot といった内部構造を形成する。この反射イオンは、衝撃波散逸、イオン加熱、プラズマ不安定性、さらには宇宙線加速の初期過程にも関わると考えられている。しかし、このような多階層・非線形過程を天体観測のみから詳細に分解することは難しく、制御された条件下の地上実験で衝撃波を生成・診断する実験室宇宙物理学的アプローチが重要となる。
　本講演では、大型レーザーを用いて磁化プラズマ中に超臨界のmagnetized collisionless shockを生成する実験について紹介する。プラズマ自発光計測によりfoot領域を捉えた。さらに、空間分解集団トムソン散乱計測により、foot領域で背景磁場に垂直方向・平行方向のイオン温度異方性を示す実験的証拠が得られた。セミナーでは、高エネルギー宇宙物理学、無衝突衝撃波、宇宙線のイントロダクションから初めて、我々の実験結果（自己発光計測、集団トムソン散乱など）と粒子シミュレーションとの比較を通じた、magnetized shockの形成過程について議論する。

　ブラックホール周辺の光伝播は、Event Horizon Telescope による M87* や Sgr A* の撮像を解析するうえで本質的な問題である。従来の重力レンズ効果の理論は真空時空や「冷たい静止（cold static）プラズマ」を基本としていたが、実際の降着円盤は動的な４元速度を持ち、強い磁場や高い温度を伴うことが予想されている。そのため近年、光線軌道の解析に対するより現象論的なモデルとして、プラズマ媒質中における伝播のモデルが盛んに研究されてきた。

　そこで、Kerr ブラックホールの周りにプラズマが取り巻く状況を考察し、光の伝播（重力レンズ効果）を数値的に解析する。光線の方程式は、一般相対論と幾何光学近似に基づいてハミルトン形式で解析し、先行研究に基づいてプラズマ媒質の運動と屈折率の効果を一般化する。先行研究では、Hamilton 方程式が変数分離可能なプラズマ分布を特定し扱っていたが、自由落下するプラズマの数密度を用いると、Hamilton 方程式は変数分離不可能になる。

　本研究では、それを数値的に取り扱い、順回転・逆回転の場合について光線の偏向角を定量化する。偏向角に加え、光の閉じた軌道についても考察し、時空の回転（スピンパラメータ）とプラズマの運動が、ブラックホール候補天体の重力レンズ効果に与える影響を定量化する。