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Developing numerical-relativity codes for high-precision computations of gravitational waves toward third-generation gravitational-wave detectors

Research Project

Project/Area Number 22K03617
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

久徳 浩太郎  京都大学, 理学研究科, 准教授 (30757125)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords宇宙物理 / 重力波 / 相対論 / 中性子星 / ブラックホール / 数値相対論
Outline of Research at the Start

連星中性子星やブラックホール・中性子星連星の合体からの重力波波形を理論的に導出するにあたり、精度を決めている中性子星の運動をより正確に解くため、数値相対論コードの流体解法や状態方程式の取り扱いを改良する。2030年代に動き出すと期待される第三世代重力波検出器で得られる重力波データの解析から、中性子星の半径を系統誤差なく100m程度の精度で決めることを目標に、高精度重力波波形の計算を手がける。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に実装した一般化区分的ポリトロープ状態方程式を用いてQCDクロスオーバーを模倣し、様々な解像度で連星中性子星の合体計算を行い、計算結果および収束性を従来のポリトロープ状態方程式と比較した。音速が不連続になるという従来型ポリトロープの欠点を一般化区分的ポリトロープは克服しており、QCDクロスオーバーのより妥当な科学計算を可能にすると同時に、数値流体計算で本質的に重要な音速が連続になることで収束性の改善も期待される。科学的成果という観点では、連星合体過程や放射される重力波は二つの状態方程式モデルの間で定性的には違いがなく、今までに従来型ポリトロープで行われた計算も音速の不連続によって大きな悪影響を被ってはいないことを確認できた。一方、昨年度の予備的検討よりも幅広い解像度で複数のモデルを計算した結果、区分的ポリトロープで得られた結果は系統的に滑らかな収束性を示す、具体的には諸量の解像度への依存性が冪乗でよく表されることを見出しつつある。連星合体計算においては流体や重力の非線形性が複雑に絡み合うため、収束性が不規則になりやすく連続極限への補外に困難を伴う。その点、収束が滑らかであれば連続極限を得ることが容易になるため、将来的な高精度の重力波波形計算に向けて区分的ポリトロープが有益であろうと結論できる。これらの結果は現在論文にまとめており、近く公開・投稿する予定である。さらにQCDクロスオーバーの有無を重力波観測から判別するための研究も進め、現実的に起こりうる距離の連星合体でも将来検出器であれば可能性があることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

一般化区分的ポリトロープ状態方程式を用いた科学計算に進み、有意義な形で従来のポリトロープ状態方程式と収束性を比較できたため。

Strategy for Future Research Activity

HLLC法の有用性を改めて検討しつつ、実装を進める。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 4 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 11 results)

  • [Int'l Joint Research] マックスプランク重力物理学研究所(ドイツ)

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  • [Int'l Joint Research] マックスプランク重力物理学研究所/イェーナ大学/ポツダム大学(ドイツ)

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  • [Int'l Joint Research] フロリダ・アトランティック大学/ワシントン大学(米国)

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  • [Journal Article] General-relativistic neutrino-radiation magnetohydrodynamics simulation of seconds-long black hole-neutron star mergers: Dependence on the initial magnetic field strength, configuration, and neutron-star equation of state2023

    • Author(s)
      Hayashi Kota、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 107 Issue: 12 Pages: 123001-123001

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.123001

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      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Self-Consistent Picture of the Mass Ejection from a One Second Long Binary Neutron Star Merger Leaving a Short-Lived Remnant in a General-Relativistic Neutrino-Radiation Magnetohydrodynamic Simulation2023

    • Author(s)
      Kiuchi Kenta、Fujibayashi Sho、Hayashi Kota、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Issue: 1 Pages: 011401-011401

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.011401

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      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Comprehensive Study of Mass Ejection and Nucleosynthesis in Binary Neutron Star Mergers Leaving Short-lived Massive Neutron Stars2023

    • Author(s)
      Fujibayashi Sho、Kiuchi Kenta、Wanajo Shinya、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 942 Issue: 1 Pages: 39-39

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac9ce0

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quasinormal modes of Schwarzschild black holes on the real axis2023

    • Author(s)
      Kyutoku Koutarou、Motohashi Hayato、Tanaka Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 107 Issue: 4 Pages: 044012-044012

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.044012

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gravitational Wave Signal for Quark Matter with Realistic Phase Transition2023

    • Author(s)
      Fujimoto Yuki、Fukushima Kenji、Hotokezaka Kenta、Kyutoku Koutarou
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 130 Issue: 9 Pages: 091404-091404

    • DOI

      10.1103/physrevlett.130.091404

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] General-relativistic neutrino-radiation magnetohydrodynamic simulation of seconds-long black hole-neutron star mergers2022

    • Author(s)
      Hayashi Kota、Fujibayashi Sho、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 106 Issue: 2 Pages: 023008-023008

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.023008

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] How many extragalactic stellar mass binary black holes will be detected by space gravitational-wave interferometers?2022

    • Author(s)
      Seto Naoki、Kyutoku Koutarou
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 514 Issue: 4 Pages: 4669-4675

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1561

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigating GW190425 with numerical-relativity simulations2022

    • Author(s)
      Dudi Reetika、Adhikari Ananya、Br?gmann Bernd、Dietrich Tim、Hayashi Kota、Kawaguchi Kyohei、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Shibata Masaru、Tichy Wolfgang
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 106 Issue: 8 Pages: 084039-084039

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.084039

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gravitational waves from compact binary mergers2023

    • Author(s)
      Koutarou Kyutoku
    • Organizer
      Black Hole and Gravitational Waves: from alternative gravity to data analysis
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 重力波天文学で迫る状態方程式"2023

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      〜中性子星の観測と理論〜研究活性化ワークショップ
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] O4とマルチメッセンジャー観測の展望2023

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 重力波天体からのマルチメッセンジャー2023

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      日本天文学会2023年秋季年会
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] コンパクト天体の衝突・合体現象2023

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      第19回衝突研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Gravitational waves and physics of compact objects2023

    • Author(s)
      Koutarou Kyutoku
    • Organizer
      Gravitational Wave Probes of Physics Beyond Standard Model
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 重力波と天体と新物理2023

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      素粒子物理の今と未来
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      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Gravitational waves from binary-neutron-star mergers and the equation of state2023

    • Author(s)
      Koutarou Kyutoku
    • Organizer
      Condensed Matter Physics of QCD 2024
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 重力波天文学と状態方程式の制限2022

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星
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      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 実軸上のブラックホール準固有振動2022

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Coalescences of black hole-neutron star binaries2022

    • Author(s)
      Koutarou Kyutoku
    • Organizer
      The Third Gravi-Gamma Workshop
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quasinormal modes of Schwarzschild black holes on the real axis2022

    • Author(s)
      Koutarou Kyutoku
    • Organizer
      Cosmology and Particle Astrophysics in 2022 (CosPA 2022)
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 実軸上のブラックホール準固有振動2022

    • Author(s)
      久徳浩太郎
    • Organizer
      第35回理論懇シンポジウム
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      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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