コンパクト天体連星合体におけるr過程元素合成と電磁波放射

• Project Area: New development in astrophysics through multimessenger observations of gravitational wave sources
• Project/Area Number: 15H00782
• 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: Toho University
• Principal Investigator: 関口 雄一郎 東邦大学, 理学部, 講師 (50531779)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2015: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 宇宙物理学 / 中性子星 / 数値相対論 / 宇宙物理 / 重力波

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、前年度までの研究に引き続き、連星中性子星合体のニュートリノ輻射流体シミュレーションを行った。最近発見された連星パルサーJ0453+1559は、太陽質量の約1.2倍と1.6倍の中性子星からなるが、このような大きな質量比を持つ連星はこれまで発見されておらず、したがって合体過程の研究も行われていなかった。そこで、本研究では、このような高い質量比を持つ連星(太陽質量の1.25倍と1.55倍、および1.25倍と1.65倍)を初期条件とした。中性子星の状態方程式としては、SFHo と呼ばれる比較的柔らかい状態方程式を採用した。
いずれのモデルにおいても、潮汐相互作用による質量放出が卓越するため、放出物質は主として連星軌道面方向に集中しており、またその組成はきわめて中性子過剰度であった。一方、子午面方向には、ニュートリノと物質の相互作用によって中性子過剰度がやや小さくなった放出物質が認められたが、その総質量は潮汐相互作用によるものよりも十分に小さかった。これは、連星質量が大きく、合体後すぐにブラックホールが形成されるため、ニュートリノ放射領域がブラックホールに飲み込まれ、ニュートリノ光度が下がってしまうためである。放出物質の総量は、太陽質量の1%程度であった。
質量比が大きいほど潮汐相互作用によって放出される冷たい (従ってニュートリノ相互作用の影響を受けない) 中性子星物質の割合が増えるため、より中性子過剰の物質が放出されると予想されていたが、本研究によってその定量性を明らかにすることができた。本研究課題で得られた一連の結果によって、放出物質の時間進化を背景場として元素合成計算を行い、現在観測によって示唆される連星質量比分布によって、太陽組成が再現されるかどうかについて調べることが可能となった。

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

• [Journal Article] Dynamical mass ejection from the merger of asymmetric binary neutron stars: Radiation-hydrodynamics study in general relativity (2016)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi, Kenta Kiuchi, Koutarou Kyutoku, Masaru Shibata, and Keisuke Taniguchi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 93 Issue: 12 Pages: 124046-124046
  • DOI: 10.1103/physrevd.93.124046
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Gravitational waves from supermassive stars collapsing to a supermassive black hole (2016)
  • Author(s): Masaru Shibata, Yuichiro Sekiguchi, Haruki Uchida, and Hideyuki Umeda
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 94 Issue: 2 Pages: 021501-021501
  • DOI: 10.1103/physrevd.94.021501
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Measurability of the tidal deformability by gravitational waves from coalescing binary neutron stars (2016)
  • Author(s): Kenta Hotokezaka, Koutarou Kyutoku, Yuichiro Sekiguchi, and Masaru Shibata
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 93 Issue: 6 Pages: 064082-064082
  • DOI: 10.1103/physrevd.93.064082
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Alpha-constrained QSE Nucleosynthesis in High-entropy and Fast-expanding Material (2016)
  • Author(s): Sho Fujibayashi, Takashi Yoshida, and Yuichiro Sekiguchi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 818 Issue: 1 Pages: 96-96
  • DOI: 10.3847/0004-637x/818/1/96
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient magnetic-field amplification due to the Kelvin-Helmholtz instability in binary neutron star mergers (2015)
  • Author(s): Kenta Kiuchi, Pablo Cerda-Duran, Koutarou Kyutoku, Yuichiro Sekiguchi, Masaru Shibata
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 92 Issue: 12 Pages: 124034-124034
  • DOI: 10.1103/physrevd.92.124034
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-resolution magnetohydrodynamics simulation of black hole-neutron star merger: Mass ejection and short gamma-ray burst (2015)
  • Author(s): Kenta Kiuchi, Yuichiro Sekiguchi, Koutarou Kyutoku, Masaru Shibata, Keisuke Taniguchi, and Tomohide Wade
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 92 Issue: 6 Pages: 064034-064034
  • DOI: 10.1103/physrevd.92.064034
  • NAID: 120005690189
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nucleosynthesis in Neutrino-driven Winds in Hypernovae (2015)
  • Author(s): Sho Fujibayashi, Takashi Yoshida, and Yuichiro Sekiguchi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 810 Issue: 2 Pages: 115-115
  • DOI: 10.1088/0004-637x/810/2/115
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Dynamical mass ejection from BH-NS mergers (2016)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: Compact stars and gravitational waves
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所(京都府京都市)
  • Year and Date: 2016-12-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mass ejection from compact binary merger and r-process nucleosynthesis (2016)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: Compact stars and gravitational waves
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所(京都府京都市)
  • Year and Date: 2016-11-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超大質量星の重力崩壊によるブラックホール形成に伴う重力波 (2016)
  • Author(s): 関口雄一郎, 柴田大, 打田 晴輝, 梅田秀之
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学城北キャンパス(愛媛県松山市)
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] Exploring equation of state of neutron star matter by gravitational waves from neutron star binary (2016)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: The 34th Reimei Workshop : Physics of Heavy-Ion Collisions at J-PARC
  • Place of Presentation: KEK(茨城県那珂郡)
  • Year and Date: 2016-08-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamical mass ejection from binary compact-star merger (2016)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: Compact stars and gravitational wave astronomy
  • Place of Presentation: 国立天文台三鷹キャンパス(東京都三鷹市)
  • Year and Date: 2016-05-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ニュートリノ輸送数値相対論によるブラックホール・中性子星連星の合体 (2016)
  • Author(s): 関口雄一郎, 久徳浩太郎, 木内建太, 柴田大, 谷口敬介
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] On Compact binary mergers, Short GRBs, and r-process nucleosynthesis (2015)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: HEAP 2015 Central Engines in the High Energy Universe
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2015-10-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 連星中性子星合体からの質量放出の連星パラメータ依存性 (2015)
  • Author(s): 関口雄一郎, 木内建太, 久徳浩太郎, 柴田大
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学杉本キャンパス（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-28
• [Presentation] コンパクト天体連星合体からの質量放出 (2015)
  • Author(s): 関口雄一郎
  • 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: 2015-09-10
• [Presentation] Binary neutron star merger and r-process nucleosynthesis (2015)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: Numazu Workshop 2015: Challenges of modeling supernovae with nuclear data
  • Place of Presentation: 三島商工会議所（静岡県・三島市）
  • Year and Date: 2015-09-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ｒ過程元素合成と中性子星合体 (2015)
  • Author(s): 関口雄一郎
  • Organizer: 基研研究会 「熱場の量子論とその応用」
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2015-09-01
  • Invited
• [Presentation] Mass ejection from binary neutron star merger and r-process nucleosynthesis (2015)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: Microphysics in Compact Relativistic Astrophysics 2015
  • Place of Presentation: Stockholm (Sweden)
  • Year and Date: 2015-08-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent developments in binary neutron star merger in numerical relativity (I), (II) (2015)
  • Author(s): Yuichiro Sekiguchi
  • Organizer: International School on Numerical Relativity and Gravitational Waves 2015
  • Place of Presentation: Daejeon (Korea)
  • Year and Date: 2015-07-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 連星中性子合体からのニュートリノ放射 (2015)
  • Author(s): 関口雄一郎
  • Organizer: ハイパーカミオカンデにおける宇宙ニュートリノ観測
  • Place of Presentation: 神戸大学六甲台第2キャンパス（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-05-19
  • Invited