2017 Fiscal Year Annual Research Report
DecipheringPhysics of Core-Collapse Supernovae via Gravitational-wave Astronomy
| Project Area | Gravitational wave physics and astronomy: Genesis |
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| Project/Area Number |
17H06364
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
固武 慶 福岡大学, 理学部, 教授 (20435506)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神田 展行 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50251484)
滝脇 知也 国立天文台, 理論研究部, 助教 (50507837)
端山 和大 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (70570646)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 重力崩壊型超新星 / 重力波 / ニュートリノ輻射輸送 / ニュートリノ / 一般相対論 / 中性子星 / 核密度状態方程式 / スーパーコンピューティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空間3次元(3D）の一般相対論的シミュレーションにより、大質量星(15太陽質量)コアの重力崩壊及びコアバウンス後の動的進化を詳細に調べ、放射される重力波とニュートリノシグナルの相関解析を行った。結果、最近の観測的制限と整合性が良い核密度状態方程式(SFHx)を用いた場合、SASIと呼ばれる衝撃波の大局的変形が発達し、このSASIがニュートリノ放射領域（ニュートリノ球）と原始中性子星表面付近に陥入するときに、それぞれニュートリノ・重力波シグナルに特徴的な時間変調を引き起こすことを明らかにした。更に、両シグナルの時間相関を取ることで、ニュートリノ球と原始中性子星の距離に関する情報が得られることを世界に先駆けて指摘した。さらにこの結果を用い線形解析を行い、圧力(pモード)や浮力起源(gモード)の重力波に加え、新たにw1モードの解析をした。この結果から、これらマルチモードの重力波の観測から、原始中性子星の質量と半径の情報を独立に取り出せる可能性を指摘することが出来た。
更に、高速自転する大質量星(27太陽質量)の超新星爆発から予測される重力波・ニュートリノ放射についても3Dシミュレーションに基づく解析を行った。本成果のハイライトとして、特に水平面から見たときニュートリノシグナルが、ニュートリノ球の回転周期と近い周波数で時間変調することを発見したことが挙げられる。このニュートリノ灯台効果に加え、非軸対称モードが生成する重力波の周波数がニュートリノシグナルと強い相関を持つことも指摘できた。また、ニュートリノシグナルに関しては、空間2次元(2D)のシミュレーションや空間一次元ながらボルツマンニュートリノ計算の結果に基づく解析を行い、コアバウンス時の中性子化バーストさらには、背景ニュートリノの情報からそれぞれ親星のコアの重力収縮度(コンパクトネス)に関する制限が得られることを指摘できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まず初年度は、これまで構築してきた3Dの超新星コードをフルに活用して上述のような成果を得ることが出来た。このような研究アウトプットと共に、より精密な超新星シミュレーションに向けたコード開発も行って成果を得た。具体的には、これまでの多次元超新星シミュレーションでは、原子核への電子捕獲率について簡略化されたモデルに基づくものが使われてきた。今年度のコード開発で、この部分は最新のシェルモデル・モンテカルロ計算に基づく2000核種に及ぶ原子核に対する電子捕獲率を用いることで、バウンス後から爆発開始に至るまでの動的進化において本質的な役割を果たす原始中性子星内のレプトン分率を定量的に決めることが可能になった。またニュートリノ荷電反応や、ニュートリノ・核子散乱における核子多体効果、反跳の効果、核力の核子質量への効果を取り扱うもので、ニュートリノ光度・平均エネルギーへの影響が大きいため、取り入れることが必須である。特にこれらの反応では、散乱振幅の計算の際に、運動量移行に関する角度・エネルギーに関する多重積分が発生するため、一般に計算コストが著しく増加する。これを回避するために、ニュートリノエネルギー、密度、温度、電子分率の4変数を引数にしたテーブルを作って計算の高速化に成功した。今年度は、まず一次元球対称の超新星シミュレーションにおいてこれら詳細な反応の効果を取り込み、先行研究と詳細な比較を行いコードのチェックを行ったあと、2Dシミュレーションを行ってその成果を査読論文としてまとめることが出来た。
初年度は、大質量星の自転重力崩壊において成果を得ることが出来たが、さらに磁場の効果を含めるべく磁気流体コードの開発も行っている。現在５次精度のスキームのテストを終わり、磁場が乱流に及ぼす効果、更に重力波放射・ニュートリノ放射に及ぼす効果について調べる研究に向けて着実に準備を進めることが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、初年度におこなったマイクロ物理のアップデートを多次元超新星シミュレーションに組み込み、より定量的な重力波シグナルの予測を行うことが不可欠である。また、ブラックホール連星からの重力波検出を受けて、70太陽質量程度の巨大質量星の重力崩壊とブラックホール形成に至るまでの動的進化を明らかにするのが喫緊の課題になっている。コアの自転の効果も含め、ブラックホール形成を伴う大質量星における重力波・ニュートリノシグナルの観測可能性もこれまで殆ど明らかにされておらず、一般相対論的シミュレーションで明らかにしていくことが不可欠なテーマである。本研究計画班で雇用したポスドク研究員の参加も得て、今年度はこの課題も大いに進捗させる計画である。
初年度、既に論文投稿を済ませた結果ではあるが、重力波の円偏光成分の観測可能性を更に精査していくことが不可欠である。超新星重力波の観測可能性を精査するためには、時間・周波数空間で信号・雑音比を解析する、いわゆるパワーエクセス法が主流だが従来の解析では、高速フーリエ変換などが一般的に使われてきた。一方で、申請者チームはヒルベルトハン解析やウィグナーヴィレ解析などを用いることで、超新星重力波のスペクトログラムにおいてマルチモードの特徴・エクセスを従来に比べ、格段にクリアに分解、峻別できることができるという予備的な成果を得ている。今年度は、円偏光に対してこれらの手法をどう適応するかも含め、一連の成果を論文としてまとめることが喫緊のテーマである。更にこれらの新解析法は、KAGRAの超新星重力波に特化したパイプラインの構築に向けて不可欠なものであり、今年度はパイプライン構築に向けた研究にも注力していく計画である。このテーマを行う新たなポスドク研究員の参加も得て、このパートの研究も更に拡充していく計画である。
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