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原子物理と宇宙物理の連携で迫る多様な中性子星合体の元素合成

Research Project

Project/Area Number 23H00127
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

田中 雅臣  東北大学, 理学研究科, 教授 (70586429)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田沼 肇  東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30244411)
中村 信行  電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 教授 (50361837)
加藤 太治  核融合科学研究所, 研究部, 教授 (60370136)
大石 鉄太郎  東北大学, 工学研究科, 准教授 (80442523)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000)
Fiscal Year 2025: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
Keywords中性子星合体 / 原子データ / 重力波天体 / 重元素 / 重力波
Outline of Research at the Start

本研究は、原子物理と宇宙物理の連携によって重元素の分光実験を行い正確な原子データを構築するとともに、現実的なモデルに基づく輻射輸送シミュレーションを行うことで、中性子星合体の放射スペクトルの正確な計算を実現する。この結果を、今後観測される様々な質量の中性子星合体のスペクトルと比較することで、多様な中性子星合体における重元素合成を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

中性子星合体からの電磁波放射「キロノバ」の赤外線スペクトルにおけるセリウム(原子番号58)の同定を確かなものにすべく研究を行った。これまで、セリウムの二階電離イオンが赤外線領域に強い吸収線を示すことを提案していたが、その遷移の遷移確率は実験的に測定されたことがなく、キロノバへの応用でも理論値が使われていた。そこで、宇宙に恒星のスペクトルに着目し、この遷移の遷移確率の推定を試みた。これまでに取得された恒星の赤外線スペクトルを網羅的に調査した結果、通常の恒星にはセリウムの二階電離イオンの吸収線は見えないものの、表面重力の弱い天体で観測され得ることを明らかにした。そこで、赤外線でセリウムの吸収線が観測されており、かつ可視光スペクトルで組成比が測定されている星を用いることで、セリウムの二階電離イオンの赤外線遷移の遷移確率を測定することに成功した。これは同遷移の遷移確率が初めて実験的に計測された例である。この結果をもとに輻射輸送シミュレーションを行ったところ、確かにキロノバの赤外線スペクトルで二階電離セリウムの吸収線が作られることを明らかにした。
また、セリウムに次いでキロノバの赤外線スペクトルで重要となるランタン(原子番号57)に注目して、電気通信大学のレーザー誘起ブレイクダウン分光 (LIBS)装置を用いて、可視光分光実験を開始した。得られた輝線の強度比から遷移確率の推定を行うことができた。同時に、電気通信大学のLIBS装置を用いて赤外線の分光実験を行うべく、赤外線分光装置の検討と立ち上げを行った。
これらの正確な原子データを用いた現実的なキロノバの輻射輸送シミュレーションを行うべく、多次元輻射輸送コードの整備を進めた。流体力学計算結果をもとに輻射輸送シミュレーションを行う環境を整え、実際の計算を開始している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度の研究計画は、(A) 可視光・赤外線分光実験と詳細な原子構造計算による元素の遷移確率データの構築、(B) 現実的なモデルを用いた中性子星合体の多次元輻射輸送シミュレーション、(C) 重力波対応天体の観測と重元素合成の検証の三点であった。このうち、(A), (B)に関しては、上記の通り世界に先駆けてキロノバの赤外線スペクトルの解読を進めており、通常の恒星を使った検証も進めることができた。また、ランタンの可視光分光実験を進め、実際に遷移確率の測定を行うことができた。さらに、赤外線分光実験のための分光装置の立ち上げを行うこともできた。正確な原子データを取り込んだ現実的な輻射輸送シミュレーションも着手しており、これらの研究テーマは当初の計画以上に進展している。
一方で、(C)に関しては、2023年度からLIGO, Virgo, KAGRAによる第4期観測が始まったものの、Virgoが参加しなかったことから重力波イベントの位置が正確に決まらない状態が続いている。実際に中性子星を含む重力波イベントは観測されているものの、電磁波対応天体の観測に成功した例はない。そのため、この研究テーマは当初の研究ほどは進展していないと判断している。

Strategy for Future Research Activity

2023年度に引き続き、3つの研究テーマを進める。

(A) 可視光・赤外線分光実験と詳細な原子構造計算による元素の遷移確率データの構築:2023年度に引き続き、電気通信大学のレーザー誘起ブレイクダウン分光 (LIBS)装置を用いて、キロノバのスペクトルに特徴を作りうるランタノイドの可視光分光実験を行う。特に、赤外線分光装置でのデータ取得を開始する。
(B) 現実的なモデルを用いた中性子星合体の多次元輻射輸送シミュレーション:現在までに構築した最も正確な原子データを用いて、キロノバの多次元輻射輸送シミュレーションを行う。特に、中性子星合体から1日以内の電磁波放射の特徴に注目し、相対論的ジェットの有無や伝播のタイミングがキロノバの特徴にどのように影響するのかを調べる。
(C) 重力波対応天体の観測と重元素合成の検証:重力波の第4期観測にあわせて重力波天体の可視光対応天体の探査観測を実施する。2024年4月からの重力波観測にはVirgoが加わることが予定されており、位置決定精度が高い、中性子星を含む重力波イベントに対して追観測を行い、可視光・赤外線の明るさの時間変化のデータを取得する。また、十分明るい天体に対しては、可視光・赤外線のスペクトルを取得し、(B)で行うシミュレーションの結果との比較を行う。

Report

(2 results)
  • 2023 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Late Engine Activity in Neutron Star Mergers and Its Cocoon: An Alternative Scenario for the Blue Kilonova2024

    • Author(s)
      Hamidani Hamid、Kimura Shigeo S.、Tanaka Masaomi、Ioka Kunihito
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 963 Issue: 2 Pages: 137-137

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad20d0

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Transition Probabilities of Near-infrared Ce III Lines from Stellar Spectra: Applications to Kilonovae2023

    • Author(s)
      Nanae Domoto, Jae-Joon Lee, Masaomi Tanaka, Ho-Gyu Lee, Wako Aoki, Miho N. Ishigaki, Shinya Wanajo, Daiji Kato, Hotokezaka Kenta
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 956 Issue: 2 Pages: 113-113

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acf65a

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A search for extragalactic fast optical transients in the Tomo-e Gozen high-cadence survey2023

    • Author(s)
      Oshikiri Kakeru、Tanaka Masaomi、Tominaga Nozomu、Morokuma Tomoki、Takahashi Ichiro、Tampo Yusuke、Hamidani Hamid、Arima Noriaki、Arimatsu Ko、Kasuga Toshihiro、Kobayashi Naoto、Kondo Sohei、Mori Yuki、Niino Yuu、Ohsawa Ryou、Okumura Shin-ichiro、Sako Shigeyuki、Takahashi Hidenori
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 527 Issue: 1 Pages: 334-345

    • DOI

      10.1093/mnras/stad3184

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Radiative transfer simulations for light curves and spectra of kilonovae2023

    • Author(s)
      Tanaka, M.
    • Organizer
      The Radiative Transfer and Atomic Physics of Kilonovae
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Heavy element atomic data for multi-messenger observations of neutron star mergers2023

    • Author(s)
      Tanaka, M.
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] マルチメッセンジャーで探る重元素の起源2023

    • Author(s)
      田中雅臣
    • Organizer
      マルチメッセンジャー天文学の展開
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 中性子星合体からの紫外線放射2023

    • Author(s)
      田中雅臣
    • Organizer
      U-band Instrument mini WS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Line identification in kilonova NIR spectra: implications from chemically peculiar stars2023

    • Author(s)
      田中雅臣
    • Organizer
      Transient & Supernova Workshop 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2025-04-17  

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