Numerical simulations of the formation of the first galaxies

• Project/Area Number: 16J03421
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: Konan University
• Principal Investigator: 千秋 元 甲南大学, 自然科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 星形成 / 金属欠乏星 / 初代星 / 初代銀河 / 銀河形成 / 低質量星 / 星間ダスト

Outline of Annual Research Achievements

本研究の最終目標は、初代銀河における星の質量分布と金属量分布を知ることである。星質量分布と金属量分布は相互に影響を及ぼすことが知られているが、それぞれ別々に議論されてきた（e.g. Omukai 2000; Ritter et al. 2016）。そこで本研究ではその相互作用の第一歩である、初代星の超新星爆発から金属欠乏星形成までの一連のプロセスを数値シミュレーションで追った。
本研究では、N体/Adaptive Mesh Refinement (AMR)コードenzoを用いて宇宙論的シミュレーションを行った。300共動kpcの計算領域内で赤方偏移12.1において1e6 Msunのミニハローが形成された。ハロー中心に13 Msunの初代星粒子を置き、これを光源として電離光子輻射による電離領域形成と超新星衝撃波の伝播を追った。超新星衝撃波は電離波面外部の高密度領域を通過するため、放射冷却によるエネルギー損失によって衝撃波がハローに落下し、再収縮を起こした。再収縮領域の中心から~1 pcの範囲内で金属量はほぼ一定の値2.6e-4 Zsunとなった。
つぎに私は再収縮領域の重力収縮過程を追った。本研究では、ダストが気相中の金属分子の降着により成長するダスト成長を初めて取り入れた。密度10^11 /ccにおいてSiO分子のシリケイトダスト(Mg2SiO4, MgSiO3)への降着により、ダスト成長が起こる。密度10^14/ccにおいて連続光に対してガスの光学的厚みが大きくなり、ダスト冷却率が小さくなると、原始星コアが形成される。その質量は0.06 Msunであり、小質量星形成が示唆された。この研究から、一回の超新星爆発でミニハローの自己汚染により、現在観測されている長寿命つまり小質量（<0.8 Msun）の金属欠乏星が形成されることが示唆される。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Seeding the second star: enrichment from population III, dust evolution, and cloud collapse (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen、Wise John H
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 482 Issue: 3 Pages: 3933-3949
  • DOI: 10.1093/mnras/sty2984
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Metal-poor star formation triggered by the feedback effects from Pop III stars (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen、Susa Hajime、Hirano Shingo
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 475 Issue: 4 Pages: 4378-4395
  • DOI: 10.1093/mnras/sty040
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Blocking Metal Accretion onto Population III Stars by Stellar Wind (2017)
  • Author(s): Tanaka Shuta J.、Chiaki Gen、Tominaga Nozomu、Susa Hajime
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 844 Issue: 2 Pages: 137-137
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa7e2c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Classification of extremely metal-poor stars: absent region in A(C)-[Fe/H] plane and the role of dust cooling (2017)
  • Author(s): Chiaki Gen、Tominaga Nozomu、Nozawa Takaya
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters Volume: 472 Issue: 1 Pages: L115-L119
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slx163
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gravitational collapse and the thermal evolution of low-metallicity gas clouds in the early Universe (2016)
  • Author(s): Gen Chiaki, Naoki Yoshida, Shingo Hirano
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 463 Issue: 3 Pages: 2781-2798
  • DOI: 10.1093/mnras/stw2120
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] The first matter cycle in the Universe: from Pop III stars to Pop II stars (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen、Susa Hajime、 Hirano Shingo
  • Organizer: EWASS 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metal-poor star formation with feedback effects of photoionization and supernova of the first star (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: Enzo Days 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First Matter Cycle from Population III to Population II Stars (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: JINA-CEE Frontiers in Nuclear Astrophysics 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constraint on properties of dust grains created by Population III supernovae (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: CPHDUST2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 初代星超新星のフィードバックを考慮した金属欠乏星形成 (2018)
  • Author(s): 千秋元
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2018
• [Presentation] The first matter cycle in the Universe: from Population III to extremely metal-poor stars (2018)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: Stellar Archaeology as a Time Machine to the First Stars
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 初代星超新星による金属汚染と金属欠乏星形成 (2018)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2017
  • Invited
• [Presentation] 初代星によるフィードバックを考慮した金属欠乏星形成環境 (2017)
  • Author(s): 千秋 元、須佐 元
  • Organizer: 天文学会 春季年会
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] Formation environment of Pop II stars affected by the feedbacks from Pop III stars (2017)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: Francesco’s Legacy: Star Formation in Space and Time
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation environment of Pop II stars affected by the feedback from various Pop III stars (2017)
  • Author(s): Ghiaki Gen
  • Organizer: EWASS 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation Condition and Classification of Extremely Metal-Poor Stars: Absent Region in the A(C)-[Fe/H] Plane (2017)
  • Author(s): Chiaki Gen
  • Organizer: A Celebration of CEMP and a Gala of GALAH
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 初代星超新星による重元素拡散過程 (2017)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: 理論懇シンポジウム 2017
• [Presentation] 金属欠乏星はどのように形成されたか (2016)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: 第29回 理論懇シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2016-12-20
• [Presentation] Dust properties in the early Universe traced back from the elemental abundance of extremely metal-poor stars (2016)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: 第33回 Grain Formation Workshop
  • Place of Presentation: 志賀島
  • Year and Date: 2016-12-12
• [Presentation] The origin of extremely metal-poor stars (2016)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: Workshop on Theoretical Astronomy 2016
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Invited
• [Presentation] 金属欠乏星の起源 (2016)
  • Author(s): 千秋 元
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会 2016
  • Place of Presentation: 金沢市
  • Year and Date: 2016-10-25
• [Presentation] 金属欠乏星は形成時から金属を持っていたか (2016)
  • Author(s): 千秋 元、須佐 元
  • Organizer: 天文学会 秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] Numerical studies of star formation in metal-poor clouds (2016)
  • Author(s): Gen Chiaki
  • Organizer: RESCEU Summer School 2016
  • Place of Presentation: 高山市
  • Year and Date: 2016-08-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemo-thermal Evolution of Collapsing Gas Cloud and the Formation of Metal-poor Stars (2016)
  • Author(s): Gen Chiaki, Naoki Yoshida, Shingo Hirano
  • Organizer: First Stars V
  • Place of Presentation: Heidelberg
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research