2014 Fiscal Year Annual Research Report
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14J01329
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
藤林 翔 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | r過程 / 金属欠乏星 / 極超新星 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本特別研究員は「極超新星」と呼ばれる極めて明るい超新星においてr過程によって合成される元素を調べた。超新星の最中、星の内部では非常に高温の中性子星が作られ、その表面からは中性子を多く含んだ物質が放出されると考えられている。r過程とは、この物質の中のほうに中性子の密度が十分に大きいときに進む重元素（鉄より重い元素）合成過程である。その結果、ユーロピウムに比べてジルコニウムの組成が卓越する金属欠乏星の元素組成がこの極超新星におけるr過程で説明可能であることを示した。
金属欠乏星とは文字通り鉄の水素に対する個数比が太陽系の比よりも非常に小さい星で、近年精力的に観測が成されている。これらの星は、重元素合成過程を多く経験していないガスから作られたために、一回の重元素合成過程の結果を色濃く残している。よって、これらの星の元素の起源を探ることは、宇宙の重元素合成過程が進む場所を探るうえで非常に重要となる。先述したユーロピウムに比べてジルコニウムの組成が卓越する金属欠乏星は、金属欠乏星の中でも特異な重元素組成を持っている。これらの星は近年の観測で多数見つかってきており、その重元素の起源となった現象にも注目が集まっている。極超新星は宇宙初期での軽い元素合成に極めて重要であることが示唆されてきたが、本特別研究員の研究は、鉄より重い元素のついても極超新星の寄与は大きかった可能性を示唆するものである。
更に、鉄より重い元素は超新星の非常に深い領域で生成されるため、放出される元素組成は星内部の状況に非常に大きく依存する。よって本特別研究員の結果は、金属欠乏星の観測が星の内部を探る独立な方法となる可能性を提示するものである。
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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
本特別研究員はこの採用年度で、金属欠乏星の重元素の期限に関する研究を行った。
この研究の中で、極超新星におけるニュートリノ駆動風では、特異な元素合成過程が進みうる事が分かった。この結果については予想していなかったことであるが、元素合成過程についてのより深い理解につながる可能性がある。よって、元素合成過程自体についての研究は予想以上の進歩があった。
また、この採用年度でニュートリノ駆動風自体の理解も非常に深まったため、次年度からの数値シミュレーションを用いた研究も順調に行えると期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
中性子星連星の合体時に放出される物質の先端は非常に高速で膨張するため、r過程が起こる時間が十分に与えられない。その結果、この放出物の中では自由中性子が大量に残ることが予想される。中性子は15分程度で陽子へβ崩壊し、その時のエネルギー解放の効率はr過程元素よりも非常に大きい。従って残される自由中性子が少なかったとしても、大きなエネルギー源として期待できるのである。また、予想されるスペクトルはkilonovaで期待される近赤外波長よりも短い可視から紫外波長でピークを持つため、比較的観測が容易であることも特徴である。過去の研究では、中性子星連星の合体から数時間でこのような放射が起こる可能性があることを主張している。しかしこの研究では放出された物質の物理的状況（膨張速度や熱力学量）と、その中での元素合成の結果として残る自由中性子の割合との関係が十分に論じられていない。
本特別研究員は前述の問題に注目し、物理的状況の異なる物質中の元素合成を網羅的に行うことでその関係を明らかにする研究を今後行う。そのためには現在の元素合成の数値計算コードを改良し、重い元素の核分裂を数値計算の中で扱えるようにする必要がある。これについては共同研究者と既に議論を行っており、原子核物理の最新の質量公式に基づいた計算を行う方針である。
自由中性子が非常に大きな割合を占める物質中の元素合成が扱えるようになるため、現在京都大学基礎物理学研究所の数値相対論グループで行われている数多くのコンパクト天体同士の合体シミュレーションの結果から、放出される物質の元素組成を網羅的に計算することが可能になる。このようにして、コンパクト天体の合体現象により放出される元素の組成やその結果としての電磁波対応天体、更には銀河の化学進化への影響を調べることも今後の研究の一つである。
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