初代銀河におけるブラックホールの形成・進化とその観測的兆候

• Project/Area Number: 19J00324
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鄭 昇明 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 初期宇宙 / 星形成 / 流体シミュレーション / ブラックホール / 銀河形成 / 宇宙論 / 数値シミュレーション

Outline of Research at the Start

近年の観測により、宇宙初期に非常に重たいブラックホールが数多く存在することがわかってきた。このブラックホールがどのようにして形成されたかは未だ統一した見解が得られていない。本研究ではこれらのブラックホールの形成・成長の過程を数値流体計算を用いて探る。
これまでの観測により、ブラックホールの質量進化はその母銀河の性質と密接に関わっていることが示唆されている。実際にブラックホールは形成後、母銀河のガスを降着することで質量を増大する。そのため本研究では宇宙初期の銀河(初代銀河)の形成過程に特に着目する。初代銀河の形成とブラックホールの形成・進化のプロセスがどのように関わっているのかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は宇宙初期における星形成、ブラックホール形成過程の理解を深めるためにさまざまな大規模数値シミュレーションをおこなった。宇宙初期は近傍の宇宙に比べて、酸素や炭素などのいわゆる重元素の量が非常に少ないと考えられている。このような低い重元素量の環境下ではガス雲の温度が大きくなることが知られており、実現する星の質量が大きくなると予想されていた。事実、重元素を全く含まない環境下で形成される「初代星」は、典型的な質量が太陽の数百倍とかなり重たくなるということが近年の数値シミュレーションにより示唆されている。しかしながら、重元素が少量含まれている環境下で実現する星質量分布に関しては現状十分に理解されているとは言い難く、更なる研究を要する。
我々は初期宇宙における星形成過程について大規模３次元流体シミュレーションを行うことで、異なる重元素量の下で形成する星の質量分布を計算した。想定した重元素量は太陽系近傍に存在する重元素量(Zsun)の100万分の1から0.1までである。計算の結果、重元素量が増えるにつれて太陽以下の質量を持つ低質量星の数が増大することがわかった。特に1/100000Zsunより重元素量が大きい環境下では、ダストによる熱放射によってガス雲は効率的に冷却される結果、数多くの低質量星が形成された。しかしながら、1/100Zsun以下の環境下では依然として星の質量の多くは大質量星が担っており、星の質量分布は近傍に比べていわゆる「top-heavy」的になることがわかった。一方で、重元素量が太陽系近傍の1/10になると大質量星の数が極端に減少することで近傍で見られるような「Salpeter」型の質量分布が実現することがわかった。この結果は論文に既にまとめられており、出版済みである。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Transition of the initial mass function in the metal-poor environments (2021)
  • Author(s): Chon Sunmyon、Omukai Kazuyuki、Schneider Raffaella
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 508 Issue: 3 Pages: 4175-4192
  • DOI: 10.1093/mnras/stab2497
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmological DCBH formation sites hostile for their growth (2021)
  • Author(s): Chon, S., Hosokawa, T., & Omukai, K
  • Journal Title: MNRAS Volume: 502 Issue: 1 Pages: 700-713
  • DOI: 10.1093/mnras/stab061
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supermassive star formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds (2020)
  • Author(s): Chon Sunmyon、Omukai Kazuyuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 494 Issue: 2 Pages: 2851-2860
  • DOI: 10.1093/mnras/staa863
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Forming Pop III binaries in self-gravitating discs: how to keep the orbital angular momentum (2019)
  • Author(s): Chon Sunmyon、Hosokawa Takashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 488 Issue: 2 Pages: 2658-2672
  • DOI: 10.1093/mnras/stz1824
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 2022年春季天文学会 (2022)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 低金属量環境下における星の質量分布に対する輻射フィードバックの影響
• [Presentation] 宇宙初期における星質量分布とその進化：CMB温度依存性について (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 2021年秋季天文学会
• [Presentation] 宇宙初期における星質量分布とその進化：CMB温度依存性について」 (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 金属欠乏宇宙2021
• [Presentation] Impact of the CMB radiation on the initial mass function of metal-poor stars (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 第３４回 理論懇シンポジウム
• [Presentation] 初期宇宙における巨大ブラックホール形成 (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究会：その実態・影響・起源の全貌解明に向けて
• [Presentation] 初期宇宙における星の質量関数とその進化 ： 金属量依存性について (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 2020年度春季天文学会
• [Presentation] Transition of the initial mass function in the metal-poor environments (2021)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis
• [Presentation] 低金属量環境下における超大質量ブラックホールの種形成 (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 2020年度秋季天文学会
• [Presentation] 初期宇宙における星の質量関数とその進化：金属量依存性について (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会
• [Presentation] 初期宇宙における星の質量関数とその進化：金属量依存性について (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 理論懇シンポジウム
• [Presentation] SMS formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 大阪大学宇宙進化コロキウム
• [Presentation] 初期宇宙における星の質量関数とその進化:金属量依存性について (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 分子雲から原始星誕生までを追う
• [Presentation] 初期宇宙における低金属量環境下での超大質量星形成 (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 2020年春期年会
• [Presentation] Formation of the massive seed BHs in the low-metallicity environment (2020)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: First Star VI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超巨大ブラックホールの形成と進化 (2019)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会
  • Invited
• [Presentation] 初期宇宙における天体形成：周辺環境とトリガーについて (2019)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 2019年秋期年会、
  • Invited
• [Presentation] Growth of massive seed BHs in the early universe (2019)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: Cosmic Evolution of Quasars: from the First Light to Local Relics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 初期宇宙における大質量BHの質量成長 (2019)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2019
• [Presentation] 初期宇宙における低金属量環境下での超大質量星形成 (2019)
  • Author(s): 鄭昇明
  • Organizer: 第３２回理論懇シンポジウム