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Diffuse supernova neutrino background from 3D core-collapse simulations

Publicly Offered Research

Project AreaUnraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
Project/Area Number 20H05255
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionFukuoka University

Principal Investigator

中村 航  福岡大学, 理学部, 助教 (60533544)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords超新星 / 数値シミュレーション / ニュートリノ
Outline of Research at the Start

現実的な空間3次元超新星シミュレーションによって超新星背景ニュートリノを予言するという目的を、以下の3つの段階に分けて達成する。(1)計算効率の極めて良いIDSAと呼ばれる近似法を用いて、幅広い質量域をカバーする超新星親星3種類に対して重力崩壊シミュレーションを行い、バウンス後約1秒程度のニュートリノシグナルを計算する。(2)中心の原始中性子星への質量降着が十分弱くなった時点でニュートリノ輸送をより簡便な解法に切り替え、10秒程度計算を延長して中性子星の冷却段階でのニュートリノデータを得る。(3)以上の計算で得たニュートリノ光度・スペクトルを用いて、超新星背景ニュートリノスペクトルを算出する。

Outline of Annual Research Achievements

大質量星の重力崩壊によって生じる超新星が放出するニュートリノとその親星コア構造との関係を明らかにするために、重力崩壊型超新星爆発のセルフコンシステントな空間3次元ニュートリノ輻射流体計算を実行した。超新星ニュートリノの直接観測はSN1987Aの一例のみであるが、過去の超新星ニュートリノの積み重ねである超新星背景ニュートリノの検出が近い将来に期待されている。連星合体シナリオに基づく最新のSN1987A親星モデルを含む、多様な初期条件での重力崩壊イベントから放出されるニュートリノの特徴を調べた。
空間3次元計算によって衝撃波背面の複雑な流体運動を明らかにし、球対称を仮定した1次元計算では得られなかった停滞衝撃波の復活による中心への質量降着の減少、それに伴うニュートリノ光度および平均エネルギーの減少を発見した。その一方で、ミュー型やタウ型のニュートリノ光度だけは増加した。これは原始中性子星内部の対流により、中心近くで生成されたこれらのニュートリノが効率よく運搬された結果であると結論づけた。ニュートリノ放射の時間発展を見ると、衝撃波が復活するタイミングで大幅な減少が見られた。これは化学組成境界での密度不連続面が中心に落下してくることによる質量降着率の減少が原因で、銀河系近傍のイベントであれば現行のニュートリノ検出器で十分に捉えることが可能である。しかしこの密度不連続が小さい親星では、衝撃波が復活してもニュートリノ光度の減少は小さいことが明らかになった。
最終目標である超新星背景ニュートリノの観測による爆発機構の解明には、本研究で調べた超新星爆発を起こすケースだけでなく、爆発せずブラックホールを形成する場合のニュートリノ放射も調べる必要があると考えている。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Three-dimensional supernova simulation of SN 1987A progenitor with implications for multi-messenger signals2022

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Journal Title

      EPJ Web of Conferences

      Volume: 260 Pages: 11020-11020

    • DOI

      10.1051/epjconf/202226011020

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Core-collapse simulation of SN 1987A binary progenitor and its multimessenger signals2021

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2156 Issue: 1 Pages: 012232-012232

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2156/1/012232

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 重力崩壊型超新星の空間3次元数値モデルに基づくニュートリノ信号解析2022

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      第8回超新星ニュートリノ研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 3D simulations of supernova explosions with magnetic fields2022

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      CfCAユーザーズミーティング
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁場を考慮した3次元超新星モデルの初期流体進化2022

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      日本天文学会2022年春季年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Core-collapse supernova simulation of a three-dimensional 25 solar-mass progenitor model2021

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      YITP-OzGrav Workshop
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Core-collapse simulation of SN 1987A binary progenitor and its multimessenger signals2021

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      TAUP 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three-dimensional supernova simulation of SN 1987A progenitor with implications for multi-messenger signals2021

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      NIC-XVI
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 現実的な3次元超新星モデルに基づく超新星背景ニュートリノ解析2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      新学術領域「地下宇宙」2021年領域研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] SN1987Aモデルの重力崩壊計算が示すコンパクト天体の性質2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      中性子星の観測と理論 - 研究活性化ワークショップ
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 大質量星重力崩壊の空間3次元MHDシミュレーション2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      第34回理論懇シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 現実的な3次元超新星モデルに向けて2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      第7回超新星ニュートリノ研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 大質量星の重力崩壊前後を追う一貫した数値シミュレーション2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      CfCAユーザーズミーティング
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 超新星親星の非球対称構造が衝撃波に及ぼす影響2021

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      日本天文学会2021年春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 現実的な3次元超新星モデルに基づく超新星背景ニュートリノ解析2020

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      地下宇宙領域研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 大質量星の非対称構造を考慮した重力崩壊計算2020

    • Author(s)
      中村航
    • Organizer
      第33回理論懇シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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