accretion discとは？ わかりやすく解説

降着円盤（こうちゃくえんばん、英: accretion disk）とは、中心にある重い天体の周囲を公転しながら落下する物質によって形成される円盤状の構造のことである^[1]。中心の天体は典型的には恒星であり、この場合は星周円盤とも呼ばれる。円盤の中を公転している物質は摩擦によって中心の天体に向かってらせん状に落下していく。重力と摩擦力によって物質は圧縮され温度が上昇し、円盤からの電磁放射が引き起こされる。この電磁放射の周波数の範囲は中心天体の質量に依存する。若い恒星や原始星まわりの降着円盤は赤外線を放射し、中性子星やブラックホールまわりの場合は電磁スペクトルのうちX線の放射を行う。降着円盤の振動モードの研究は、「円盤振動学」^[2][3](英: diskoseismology) と呼ばれる^[4][5]。

2018年4月14日から15日にかけ、日本を含む16の国と地域、65の研究機関、100名を超える研究者による国際共同研究で、グローバルミリ波VLBI観測網 を用いてM87中心部の詳細な観測を行い、初めて超大質量ブラックホールの降着円盤の撮影に成功した^[6]。

物理学の未解決問題

降着円盤ジェット：なぜある種の天体を取り囲んでいる円盤、例えば活動銀河核は、極軸に沿って宇宙ジェットを放出するのか？これらのジェットは形成中の恒星から角運動量を取り除いたり宇宙を再電離させたりする際に重要であると天文学者によって考えられているが、その起源はまだあまり理解されていない。

降着円盤は天体物理学における普遍的な現象であり、活動銀河核、原始惑星系円盤，ガンマ線バーストは全て降着円盤と関連する現象である。これらの円盤は非常に多くの場合、その中心天体の近傍から宇宙ジェットの放出を引き起こす。ジェットは、あまり多くの質量を失うことなく角運動量を捨てるための、星と円盤からなる系にとっての効率的な手段である。

発見されている降着円盤の中で最も壮大であるものは、銀河の中心にある重いブラックホールであると考えられている、活動銀河核とクエーサーの周りの降着円盤である。物質が降着円盤の中に入ると、内向きのらせんを記述するテンデックス線（英語版）^[7]と呼ばれる軌跡をたどって落下する。乱流の中の粒子が擦れたり跳ね返ったりすることにより、エネルギーを放射する摩擦加熱が引き起こされ、円盤内の粒子の角運動量が減少して内側へと落下し、内向きのらせん運動が駆動される。円盤を構成する粒子の角運動量が減少すると、それは速度の低下を引き起こす。速度が低下すると、粒子はより内側の軌道を取ろうとする。粒子が内側の軌道へ落下すると、その重力ポテンシャルエネルギーの一部が粒子の速度を加速するのに使われ、結果として内側の軌道へと落下した粒子の速度は上がる。したがって粒子は落下する前に比べて高い速度で運動するものの、エネルギーと角運動量は失っていることになる。粒子の軌道が内側へ移動するにつれその速度は上昇し、粒子の (ブラックホールなど中心天体に対する) 重力ポテンシャルエネルギーがより多く放射されるにつれて、摩擦による加熱が増加する。ブラックホール周りの降着円盤は、その事象の地平面のすぐ外側ではX線を放射できるほどの高温になっている。クエーサーの大きな光度は、超大質量ブラックホールに降着していくガスによるものであると考えられている^[8]。恒星の潮汐破壊によって形成される楕円形の降着円盤は、銀河核やクエーサーにおいて典型的に見られる^[9]。

核融合過程では天体の質量をエネルギーに変換する効率は 0.7 % であるのに対し、降着過程では変換効率はおよそ 10 - 40 % である^[10]。近接連星系では、軽い方の天体が巨星の状態へと進化して自身のロッシュ・ローブを超える段階で、重い方の天体は進化が早いため既に白色矮星か中性子星、ブラックホールへと進化している。その後伴星から主星へのガスの流れが発達する。角運動量保存のためガスは伴星から主星へとまっすぐに流れることはできず、降着円盤が形成される。

おうし座T型星やハービッグAe/Be型星を取り囲む降着円盤は惑星系の前駆体であると考えられ、原始惑星系円盤と呼ばれる。この場合の降着するガスは伴星からではなく、恒星を形成する元となった分子雲から来たものである^[11]。星の周りに存在する円盤は一般に星周円盤と呼ばれる^[12]。また惑星形成の段階で惑星の周囲に形成される降着円盤は周惑星円盤と呼ばれ、この中で大型の規則衛星が形成されると考えられている^[13]。

降着円盤の理論モデルは、まず1940年代に基本的な物理原理から導出された^[14]。観測と一致させるためには、これらのモデルは角運動量の再分配を行うための未知のメカニズムの存在を必要とした。物質が内側へ落下するためには、重力エネルギーだけではなく角運動量も失う必要がある。円盤全体の角運動量は保存するため、中心に落下した質量が失った角運動量は、中心から遠ざかった質量が角運動量を得ることによって埋め合わせられなければならない。言い換えれば、物質が降着するためには角運動量は外側へ「輸送」されなければならない。レイリー条件によると、降着円盤が

${\displaystyle {\frac {\partial (R^{2}\Omega )}{\partial R}}>0}$

Balbus と Hawley は1991年の論文で、磁場が角運動量輸送を引き起こすメカニズムを提唱した^[18]。このメカニズムを示すシンプルな系は、軸方向に弱い磁場を持ったガス円盤である。この状況では、動径方向に隣接する2つの流体素片は質量を持たないばねで繋がれた2つの質点として振る舞うと考える。ここでは磁力線がばねに相当し、磁気張力がばねの張力としての役割を果たす。ケプラー回転する円盤では内側の流体素片が外側よりも速く公転するため、ばねは引き伸ばされる。ばねの張力によって内側の流体素片は減速する方向に力を受けることとなり、角運動量が引き抜かれより内側の軌道へと移る。逆に外側の流体素片はばねの張力によって前方に引かれて加速し、角運動量を得て外側の軌道へと移る。2つの流体素片が離れるにつれてばねの張力は大きくなり、この過程は加速度的に進行する^[28]。

このようなばねのような張力が存在する場合、レイリーの安定条件は

${\displaystyle {\frac {d\Omega ^{2}}{d\ln R}}>0}$

円盤の中心にある天体がブラックホールである場合、円盤の内側領域を記述するためには完全な一般相対論的な取り扱いが必要である。これは Don Nelson Page とキップ・ソーンによって行われ^[36]、可視光での画像の再現シミュレーションは Jean-Pierre Luminet および J. A. Marck によって独立に行われた^[37][38]。このような系は本質的に対称な形状をしているが、その画像は対称な見た目をしていない。これはブラックホール近傍での非常に強い重力場に対して平衡となるための遠心力を得ることが出来るような相対論的なガスの運動速度では、円盤の観測者から遠ざかる側 (ここでは右側) からの放射は強い赤方偏移を示す一方、近づいてくる側では強い青方偏移を示すことが原因である。光が重力によって曲げられるため、円盤は変形して見えるが、ブラックホールによって隠される領域も存在しない。

降着率がエディントン降着率を下回り不透明度が非常に低い場合、移流優勢流が形成される。このタイプの降着円盤は1977年に一丸節夫によって予測されていた^[39]。一丸による論文はほとんど無視されたものの、この移流優勢流モデルのいくつかの要素は、リース、M. C. Begelman、R. D. Blandford、E. S. Phinney による1982年のイオントーラスに関する論文に存在している^[40]。

移流優勢流が多くの研究者によって集中的に研究され始めたのは、1990年代半ばに Ramesh Narayan と Insu Yi、および Marek Abramowicz、Xinming Chen、加藤正二、Jean-Pierre Lasota^{[注 1]} と Oded Regev によってこの現象が独立に再発見されてからであった^[41][42]。Narayan とその共同研究者らによって移流優勢流の天体物理学への重要な応用がなされた。移流優勢流は、放射よりも高温な物質が中心に移流することによって冷却する^[23]。これらは非常に放射が非効率で、幾何学的に広がった構造を持ち、円盤というよりは球やコロナに似た形状で、ビリアル温度に近い非常な高温になる。放射効率が低いため、移流優勢流を持つ円盤はシャクラ・スニヤエフの薄い円盤よりもずっと暗いものになる。移流優勢流はべき乗則に従う非熱的放射を示し、しばしば強いコンプトン成分を含む。

ブラックホール近傍でのX線源のぼやけ

X線源であるコロナを伴ったブラックホールの想像図^[43]

ブラックホール近傍でのX線スペクトルのぼやけ。NuSTAR による観測。ぼやけがない場合は青い線で示されたスペクトルになるが、ぼやけがある場合はオレンジ色の線となり、観測値は後者とよく一致する^[43]。

Credit: NASA/JPL-Caltech

超エディントン降着円盤の解析モデル

エディントン限界を超えた降着率を持つ超エディントン降着円盤の理論は、1980年代に M. A. Abramowicz やボフダン・パチンスキらによって構築された。この理論での円盤は "Polish doughnuts" (ポンチキ) と呼ばれるが、この命名を行ったのはマーティン・リースである^[44]。Polish doughnuts は粘性が低く、光学的に厚く、放射圧によって支えられている降着円盤であり、移流によって冷却されている。この円盤は放射効率が非常に悪い。Polish doughnuts は太いトーラス (あるいはドーナツ状) の形状をしており、回転軸に沿って2つの細い漏斗状の構造を持つ。この漏斗状構造は放射をビーム状に集約し、このビームはエディントン光度を大きく超える明るさとなっている。

スリム円盤はエディントン限界をやや超えた降着率のみを持つ円盤であり、いくぶんか円盤状の形状をしており、ほぼ熱スペクトルの放射を示す。スリム円盤 (slim disk) という名称は A.Kol akowska によって名付けられたものである^[44]。この円盤は移流によって冷却し、放射効率は低い。スリム円盤の理論モデルは、1988年に Abramowicz らによって構築された^[45]。

質量放出円盤

降着円盤とは逆の性質を持つ質量放出円盤^[46] (英: excretion disk) と呼ばれるものがあり、円盤から中心の天体へと物質が降着するのではなく、中心から物質が円盤へと放出されている。質量放出円盤は恒星が合体した際に形成される^[47]。

参考文献

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• 福江純『降着円盤への招待』講談社〈ブルーバックス〉、1988年。 ISBN 4061327178。 

脚注

注釈

1. ^ Advection-dominated accretion flow と命名した人物でもある。

出典

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関連項目

• 降着 (天文学)
• 宇宙ジェット
• ブランドフォード・ナエック機構（英語版）
• 星周円盤
• 原始惑星系円盤
• 周惑星円盤
• ダイナモ理論
• 重力の特異点
• 環 (天体)
• オメガ星雲 - 直径 2 万天文単位の巨大な降着円盤が発見されている。

外部リンク

• Professor John F. Hawley homepage
• Nonradiative Black Hole Accretion
• Accretion Discs on Scholarpedia
• “Magnetic fields snare black holes' food”. New Scientist (2006年6月21日). 2020年5月13日閲覧。
• 天文ニュース > 2004年5月（写真あり）（Astro Arts）
• ESO Press Release - 12/04（ヨーロッパ南天天文台（ESO））

表 話 編 歴 恒星
恒星進化論	星形成 前主系列星 主系列星 赤色巨星分枝 水平分枝 漸近巨星分枝 汲み上げ効果 不安定帯 レッドクランプ PG1159型星 惑星状星雲 原始惑星状星雲 高輝度赤色新星 高光度青色変光星 ウォルフ・ライエ星 擬似的超新星 超新星 極超新星 ヘルツシュプルング・ラッセル図
原始星	分子雲 暗黒星雲 ボーク・グロビュール HII領域 若い星状天体 ハービッグ・ハロー天体 林トラック 林の限界線 ヘニエイトラック オリオン変光星 おうし座T型星 オリオン座FU型星 ハービッグAe/Be型星
光度階級 スペクトル分類	極超巨星 黄色極超巨星 超巨星 青色超巨星 黄色超巨星 赤色超巨星 輝巨星 巨星 青色巨星 赤色巨星 準巨星 主系列星（矮星） O B A F G K M 準矮星
特徴のある星	青色はぐれ星 Be星 OB型星 B型準矮星 晩期型星 特異星 Am星 Ap/Bp星 roAp星 水銀・マンガン星 ヘリウム星 強ヘリウム星 炭素星 S型星 バリウム星 CH星 うしかい座λ型星 テクネチウム星 ガス殻星 炭素過剰金属欠乏星
コンパクト星など	亜恒星天体 褐色矮星 白色矮星 中性子星 パルサー マグネター 恒星ブラックホール
仮定義・仮説上の天体	黒色矮星 青色矮星 ヘリウム惑星 準褐色矮星 プラネター 異種星 クォーク星 ボソン星 ダークマター星 Quasi-star ソーン-ジトコフ天体 鉄の星
元素合成	アルファ反応 トリプルアルファ反応 陽子-陽子連鎖反応 ヘリウム・フラッシュ CNOサイクル 炭素燃焼過程 ネオン燃焼過程 酸素燃焼過程 ケイ素燃焼過程 S過程 R過程 フューザー 新星（新星残骸）
内部構造	太陽核 対流層 微視的乱流 太陽型振動 放射層 光球 恒星黒点 彩層 コロナ 恒星風 恒星風バブル 星震学 エディントン光度 ケルビン・ヘルムホルツ機構
特徴	命名 恒星力学 有効温度 運動星団 恒星磁場 等級（絶対等級） 太陽質量 金属量 恒星の自転 UBV色 変化性
恒星系	連星 接触連星 共通外層 多重星 降着円盤 惑星系 太陽系
地球での観測	北極星 等級 見かけの等級 写真等級 視線速度 固有運動 視差 測光標準星
関連項目	惑星 星団 球状星団 銀河 超銀河団 日震学 客星 星座 アステリズム 重力
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