巨大ブラックホールの起源の理論的研究

• Project Area: New development in astrophysics through multimessenger observations of gravitational wave sources
• Project/Area Number: 15H00776
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 細川 隆史 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30413967)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 超巨大ブラックホール / 超大質量星 / 種族III星 / 銀河形成 / 宇宙初期天体 / 原始星 / 宇宙物理 / 理論天文学 / 計算物理

Outline of Annual Research Achievements

z>6の初期宇宙で実際に観測されている10億太陽質量を上回るような超巨大ブラックホールについて、その種となり得る超大質量星の形成過程について研究した。前年度に引き続く内容としては、宇宙論的な初期条件から得られた星形成ガス雲の重力収縮に引き続く長期進化の計算を行った。すなわち、ガス雲の重力収縮の結果、中心部の密度は上昇するが最終的に力学平衡になる原始星が誕生して収縮は終了する。この際、もともとガス雲にあった質量の大半は原始星周囲に取り残されており、順次星へ降着して星質量が増加するのである。この質量降着期の進化が最終的に形成される星質量を決定するため、この時期の進化が本質的に重要である。我々の宇宙論的シミュレーションでは周囲の環境効果が矛盾なく取り入れられており、この効果が質量降着期の進化にどのような効果を及ぼすかについても初めて調べることが可能である。計算の結果、付近の大質量銀河がガス雲に及ぼす潮汐力が質量降着期の進化にも大きく影響することがわかった。すなわち、潮汐力が強い場合はガス雲がフィラメント状に大きく引き伸ばされているので降着期にかけてさかんに自己重力による分裂が起こり、10万年の間におよそ数千太陽質量の星が数十個生まれる。一方で潮汐力が弱い場合、ガス雲は球状に近い構造を維持し、その結果、分裂は比較的抑制されたまま降着期の進化が進み、同時間の間におよそ数万太陽質量の星が数個生き残った。星同士の合体が何度も起こるものの、生き残る星のうちいくつかは連星系をなしており、これらは星の死後ブラックホール同士の連星に進化する可能性がある。特に、連星間距離が十分近ければ重力波放出を経て合体する可能性がある。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] Tubingen University(Germany)
• [Int'l Joint Research] NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Vienna(Austria)
• [Journal Article] Do stellar winds prevent the formation of supermassive stars by accretion? (2017)
  • Author(s): Nakauchi,D., Hosokawa,T., Omukai,K., Saio,H., & Nomoto,K.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 465 Issue: 4 Pages: 5016-5025
  • DOI: 10.1093/mnras/stw3114
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rapid Black Hole Growth under Anisotropic Radiation Feedback (2017)
  • Author(s): Sugimura, K., Hosokawa, T., Yajima, H., & Omukai, K.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation of Massive Primordial Stars: Intermittent UV Feedback with Episodic Mass Accretion (2016)
  • Author(s): Hosokawa,T., Hirano,S., Kuiper,R., Yorke,H.W., Omukai,K., & Yoshida,N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 824 Issue: 2 Pages: 119-119
  • DOI: 10.3847/0004-637x/824/2/119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The Final Fates of Accreting Supermassive Stars (2016)
  • Author(s): Umeda,H., Hosokawa,T., Omukai,K., & Yoshida,N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 834 Issue: 2 Pages: L34-L34
  • DOI: 10.3847/2041-8205/830/2/l34
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cosmological Simulations of Early Black Hole Formation: Halo Mergers, Tidal Disruption, and the Conditions for Direct Collapse (2016)
  • Author(s): Chon,S., Hirano,S., Hosokawa,T., & Yoshida,N.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 832 Issue: 2 Pages: 22-22
  • DOI: 10.3847/0004-637x/832/2/134
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Supermassive star formation via episodic accretion: protostellar disc instability and radiative feedback efficiency (2016)
  • Author(s): Sakurai,Y., Vorobyov,E.I., Hosokawa,T., Yoshida,N., Omukai,K., & Yorke,H.W.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 459 Issue: 2 Pages: 1137-1145
  • DOI: 10.1093/mnras/stw637
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation of primordial supermassive stars by burst accretion (2015)
  • Author(s): Sakurai, Y., Hosokawa, T., Yoshida, N., & Yorke, H.W.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 452 Issue: 1 Pages: 755-764
  • DOI: 10.1093/mnras/stv1346
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 巨大ブラックホールのガス降着進化：ガスの角運動量と輻射フィードバック の効果 (2017)
  • Author(s): 杉村和幸、細川隆史、矢島秀伸、稲吉恒平、大向一行
  • Organizer: 日本天文学会2017年春季年会
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県福岡市)
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] 宇宙論環境下における超大質量星形成シミュレーション (2016)
  • Author(s): 鄭昇明、細川隆史、吉田直紀
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県松山市)
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] 巨大ブラックホールのガス降着進化：非等方輻射フィードバックの効果 (2016)
  • Author(s): 杉村和幸、細川隆史、矢島秀伸、大向一行
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県松山市)
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] Population III stars: a review from the theoretical side (2016)
  • Author(s): Takashi Hosokawa
  • Organizer: The First Stars V
  • Place of Presentation: Heidelberg (Germany)
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超大質量原始星の降着進化に伴い発生するアウトフローについて (2016)
  • Author(s): 仲内大翼、大向一行、細川隆史
  • Organizer: 日本天文学会2016年春季年会
  • Place of Presentation: 首都大学東京(東京都八王子市)
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] Streaming Velocity による宇宙初期の大質量ブラックホール形成 (2015)
  • Author(s): 平野信吾、細川隆史、吉田直紀
  • Organizer: 日本天文学会2015年秋季年会
  • Place of Presentation: 甲南大学(兵庫県神戸市)
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Presentation] 宇宙論的環境下でのDirect CollapseシナリオによるSMBHの形成可能性 (2015)
  • Author(s): 鄭昇明、平野信吾、細川隆史、吉田直紀
  • Organizer: 日本天文学会2015年秋季年会
  • Place of Presentation: 甲南大学(兵庫県神戸市)
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Presentation] Supermassive stars forming with episodic accretion in the early universe (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也、Eduard Vorobyov, 細川隆史、吉田直紀、大向一行、H.W.Yorke
  • Organizer: 日本天文学会2015年秋季年会
  • Place of Presentation: 甲南大学(兵庫県神戸市)
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Presentation] The First Star Formation: toward understanding the mass spectrum (2015)
  • Author(s): Takashi Hosokawa
  • Organizer: First Stars, galaxies, and black holes: now and then
  • Place of Presentation: Groningen (Netherland)
  • Year and Date: 2015-06-15
  • Int'l Joint Research / Invited