computation of high-precision gravitational waveforms from the merger of black hole-neutron star binaries

• Project Area: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
• Project/Area Number: 18H04595
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyoto University (2019); High Energy Accelerator Research Organization (2018)
• Principal Investigator: 久徳 浩太郎 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30757125)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 宇宙物理学 / 重力波 / 相対論 / ブラックホール / 中性子星 / 宇宙物理

Outline of Annual Research Achievements

ブラックホール・中性子星連星合体の長時間計算を複数のモデルに対して実行し、軌道10-15周の重力波波形を多数導出した。ブラックホールの質量が中性子星の3-5倍、ブラックホールの無次元化したKerrパラメータが0.5-0.75、状態方程式として3種類の2段階ポリトロープを主に用いた。これらのモデルについては昨年度までの結果を元に離心率を0.1%程度に下げ、それによる系統誤差を十分に低減している。昨年度の結果により、中性子星と同程度に軽いブラックホールでは高精度の計算が困難であることがわかったため、ブラックホールの質量をやや大きく、またスピンも大きく中性子星の潮汐破壊が期待される場合に着目した。幅広い解像度での計算を行うことで、いくつかのモデルについては数値誤差が1ラジアン以下の重力波波形を得ることができたが、同程度以上の計算機資源を費やしても連星中性子星の場合よりは全体的に精度が出にくいこともわかった。これはブラックホール付近の大きな曲率に起因するものであり、今後のさらなる高精度化には数値手法を洗練させる必要があることを示唆する。これらの結果は現在論文にまとめており、成果を公表するとともに波形を公開して関連分野の研究者に提供することを予定している。また、ブラックホールが中性子星の7-10倍と重くスピンが大きい場合の計算も進めている。このパラメータ領域は現在のLIGOやVirgoによって発見されているブラックホールの質量に対応しており、波形モデルの構築のみならず近い将来の観測と直接的に比較できる見込みもある。さらに広げたパラメータ領域も用いて、離心率低減のための半経験的公式の構築を進めている。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク重力物理学研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学/シェフィールド大学/レスター大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] イタリア国立天文台(イタリア)
• [Int'l Joint Research] ヨーロッパ南天文台/マックスプランク重力研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 紫金山天文台(中国)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] r-process enrichment in the Galactic halo characterized by nucleosynthesis variation in the ejecta of coalescing neutron star binaries (2020)
  • Author(s): Takuji Tsujimoto, Nobuya Nishimura, Koutarou Kyutoku
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 889 Issue: 2 Pages: 119-119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab655c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] On the possibility of GW190425 being a black hole--neutron star binary merger (2020)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku, Sho Fujibayashi, Kota Hayashi, Kyohei Kawaguchi, Kenta Kiuchi, Masaru Shibata, Masaomi Tanaka
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 890 Issue: 1 Pages: 4-4
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab6e70
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Revisiting the lower bound on tidal deformability derived by AT 2017gfo (2019)
  • Author(s): Kenta Kiuchi, Koutarou Kyutoku, Masaru Shibata, Keisuke Taniguchi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 876 Issue: 2 Pages: L31-L31
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab1e45
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discrepancy in tidal deformability of GW170817 between the Advanced LIGO twin detectors (2019)
  • Author(s): Tatsuya Narikawa, Nami Uchikata, Kyohei Kawaguchi, Kenta Kiuchi, Koutarou Kyutoku, Masaru Shibata, Hideyuki Tagoshi
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 1 Issue: 3 Pages: 033055-033055
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.1.033055
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Systematic effects from black hole-neutron star waveform model uncertainties on the neutron star equation of state (2019)
  • Author(s): Chakravarti Kabir、Gupta Anuradha、Bose Sukanta、Duez Matthew D.、Caro Jesus、Brege Wyatt、Foucart Francois、Ghosh Shaon、Kyutoku Koutarou、Lackey Benjamin D.、Shibata Masaru、Hemberger Daniel A.、Kidder Lawrence E.、Pfeiffer Harald P.、Scheel Mark A.
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 99 Issue: 2 Pages: 024049-024049
  • DOI: 10.1103/physrevd.99.024049
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prospects of the local Hubble parameter measurement using gravitational waves from double neutron stars (2018)
  • Author(s): Seto Naoki , Kyutoku Koutarou
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 475 Issue: 3 Pages: 41334139-41334139
  • DOI: 10.1093/mnras/sty090
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detectability of thermal neutrinos from binary neutron-star mergers and implications for neutrino physics (2018)
  • Author(s): Kyutoku Koutarou、Kashiyama Kazumi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 97 Issue: 10 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.103001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global simulations of strongly magnetized remnant massive neutron stars formed in binary neutron star mergers (2018)
  • Author(s): Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 97 Issue: 12 Pages: 124039-124039
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.124039
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of inhomogeneity on primordial black hole formation in the matter dominated era (2018)
  • Author(s): Kokubu Takafumi、Kyutoku Koutarou、Kohri Kazunori、Harada Tomohiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 98 Issue: 12 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.123024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] How to detect the shortest period binary pulsars in the era of LISA (2018)
  • Author(s): Kyutoku Koutarou , Nishino Yuki , Seto Naoki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 483 Issue: 2 Pages: 26152620-26152620
  • DOI: 10.1093/mnras/sty3322
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The origin of polarization in kilonovae and the case of the gravitational-wave counterpart AT 2017gfo (2018)
  • Author(s): Bulla M. , Covino S. , Kyutoku K. , Tanaka M. , Maund J. R. , Patat F. , Toma K. , Wiersema K. , Bruten J. , Jin Z. P. , et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 3 Issue: 1 Pages: 99106-99106
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0593-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 多粒子観測から原子核物理へ: ブラックホール・中性子星連星を例に (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 原子核物理でつむぐrプロセス
  • Invited
• [Presentation] Measuring tidal deformability of neutron stars with numerical relativity (2019)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: Workshopt to bring together experts on High Energy Astrophysics from Japan and Israel
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gravitational-wave and multi-messenger astronomy (2019)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: Strings and Fields 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AT 2017gfoによる潮汐変形率への下限の再検討 (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Tidal disruption in black hole--neutron star binaries (2019)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: Tidal Disruption Events: General Relativistic Transients
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マルチメッセンジャー天体物理の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 中性子星連星のマルチメッセンジャー天文学 (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Multi-messenger from compact binary mergers (2019)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: The 10th International Workshop on Very High Energy Particle Astronomy in 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] コンパクト連星合体からの質量放出 (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 核データと重元素合成を中心とする宇宙核物理研究会
  • Invited
• [Presentation] LISAを用いた最短周期連星パルサーの検出法 (2019)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] What did we learn about neutron-star properties from AT 2017gfo? (2019)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: Nucleosynthesis and electromagnetic counterparts to neutron star mergers: Preparation for the new discovery
• [Presentation] Electromagnetic counterparts to black hole-neutron star mergers after GW170817 (2018)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: Jet and Shock Breakouts in Cosmic Transients
• [Presentation] Computation of high-accuracy gravitational waveforms from black hole-neutron star binary mergers (2018)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 新学術領域「重力波物理学・天文学創世記」B班ワークショップ
• [Presentation] GW170817の再解析 (2018)
  • Author(s): 久徳浩太郎
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会2018
• [Presentation] Numerical-relativity simulations of binary-neutron-star mergeres and GW170817 (2018)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: The Eighth East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gravitational waves from binary neutron stars (2018)
  • Author(s): Koutarou Kyutoku
  • Organizer: Hadron structure and interaction in dense matter
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 重力波の源 (2018)
  • Author(s): 柴田 大、久徳 浩太郎
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254138016
• [Remarks] 中性子星合体からの光の偏りが起こる新しいメカニズムを提唱
  • URL: https://www2.kek.jp/ipns/ja/post/2018/11/polar_knovae/