2016 Fiscal Year Research-status Report
６次元ボルツマン方程式により探る多次元超新星爆発メカニズム
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15K05093
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| Research Institution | Numazu National College of Technology |
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Principal Investigator |
住吉 光介 沼津工業高等専門学校, 教養科, 教授 (30280720)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 理論核物理 / 理論天文学 / ニュートリノ / 輻射輸送 / 超新星 / 爆発 / 計算科学 / 京コンピュータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超新星爆発は、重い星が進化を遂げた最期に起きる華々しい天体現象である。長年の研究により、重力崩壊から爆発へ至るメカニズムの概略は描かれているが、多次元効果の中で起こる爆発の鍵が何であるかは現在でも決着がついていない。本研究の目的は、独自に完成させた６次元ボルツマン方程式ソルバー計算コードを活用して、３次元ニュートリノ輻射輸送を厳密に解く世界で初めての計算を行い、残存する近似を排して爆発メカニズムの主たる要因を特定することにある。今年度の研究では、２次元軸対称におけるニュートリノ輻射流体計算コードによる大質量星の重力崩壊シミュレーションを行うことを中心として、核物理による影響、３次元への拡張、多次元輻射輸送に関する研究を行った。
（１）京コンピュータにおいて６次元ボルツマン方程式ソルバーを組み込んだニュートリノ輻射流体計算コードによる軸対称大規模シミュレーションを複数モデルについて実行し、状態方程式の影響を探ることを行った。新たに柔らかい状態方程式(LS-EOS)を採用して太陽質量11倍の星の鉄コア初期条件からの重力崩壊・バウンスによる衝撃波伝搬の様子を追うことにより、衝撃波が復活して爆発へ向かう兆候を示すことを明らかにした。
（２）上記の計算コードから軸対称性の制限を取り除き、３次元計算の試験的な計算を行った。スーパーコンピュータの特性に合わせた計算コードのチューニングやサイズ調整を行い、テストモデルによる３次元計算を実現した。
（３）６次元ボルツマン方程式ソルバーを用いて、物質分布を固定して多次元ニュートリノ輻射輸送の計算を行い、中性子星合体により誕生する超大質量中性子星でのニュートリノ加熱について近似法との比較研究を行った。
これらの成果について、国内・国際会議による口頭発表、査読論文による発表を行なった。
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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
本研究の主な目的である、多次元ニュートリノ輻射流体計算による重力崩壊と衝撃波伝搬の研究は、順調に進んでいる。京コンピュータにより大質量星を用いた２次元軸対称での数値シミュレーションが複数例について行なった事は系統性の観点から極めて価値が高い。特に、状態方程式を変えた場合について実行したシミュレーションで爆発する例を示すことができた点は、成果公表により世界的にも着目されている。
京コンピュータの時間枠を用いても年間２モデル程度に限定されるという巨大計算は研究進行上の厳しい点である。一般公募に応募して、新たに計算資源を獲得することも行った。また、他のスーパーコンピュータへの移植を行い、計算モデルを増やす方向にも取り組んでいる。
６次元ボルツマン方程式を解くニュートリノ輻射輸送計算による多次元輻射輸送現象の研究は、順調に進んでいる。新たに中性子星合体から誕生する、回転大質量中性子星のモデル解析へと着手して、ニュートリノ加熱率の近似公式を検証・開発する研究を進めている。
爆発における核物理の影響を探るための、核物理データの整備についても並行して進めた。新しい状態方程式データテーブルを完成させたほか、球対称重力崩壊時における電子捕獲反応による影響を調べて、多核種混合組成の取り扱いが重要であることを明らかにした。多次元への拡張が課題である。
計算コードの開発と整備についても、ほぼ順調に進展している。星の重心が揺れ動く場合に対応できる計算処方を開発・実装して論文公表を行った。３次元計算への拡張を行って低解像度におけるテスト計算を実現できた。３次元では計算機メモリサイズが制約となり、状態方程式テーブル分割などの計算コードにおけるメモリ使用量削減の努力が必要である。また中心部の取り扱いにも課題があり、これらを解決して本格的な解像度において長時間の計算を行うことが今後の計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究については、基本的には申請時の年次計画に沿って進行していくことで問題ないと判断する。ただし、天文分野における新たな発見や、計算資源の確保状況やシミュレーション実行に掛かる期間に依っては、研究の順序や範囲を臨機応変に変更していく必要がある。
ニュートリノ輻射流体計算による研究については、親星モデルを多数へ増やし爆発現象の普遍性を探ること、異なる状態方程式を採用した場合の爆発への影響を確定すること、などが課題となっていく。２次元軸対称計算において系統的かつ定量的な研究を着実に行うことが基本である。京コンピュータを持ってしても、半年から１年という長いスパンの計算資源が必要であるため、年度をまたいで計画的に研究を行なって行く必要がある。また、新たな計算資源の確保のため、計算コードの移植やチューニングなどを行なうことが課題である。これについては、計算科学分野の研究者と共同研究を行っている。
さらに３次元計算については、第一原理計算へのチャレンジであり、最終的な目標へ向けて計算コードの注意深い調整が必要である。現段階では多次元性に影響がない範囲で中心部分を簡略化することにより、計算時間を短縮する方法を取っており、これにより次世代計算機へ向け３次元計算の段階的な成果を出していく予定である。
６次元ボルツマン方程式を解くニュートリノ輻射輸送計算については、物質分布を固定した場合について多次元ニュートリノ輻射輸送の特性を引き続き調べていくことが有益である。一般相対論的な数値シミュレーションではニュートリノ輻射輸送を厳密に解くことは極めて難しいため、近似的な処方が必要となる。この処方の評価および新たな処方の開発が数値相対論分野から求められており、６次元ボルツマン方程式計算コードによる成果を他の分野での輻射輸送計算技術への貢献としても役立たせたい。
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| Causes of Carryover |
本研究においては、複数の共同利用施設における大規模スーパーコンピュータ群による数値シミュレーションを行なっており、限られた資源における計算実行の状況に依存して、研究の進展に幾らかの不定性があり、これに関連して予算の執行時期に若干の幅を持たせざるを得ない部分がある。具体的には下記のような理由があげられる。平成２８年１～３月期に複数回の学会や研究打合せを想定していたが、予測よりも回数と遠距離の用件が少なくなった。数値シミュレーションによる実行結果の保全のため、データをアーカイブする必要があるが、スーパーコンピュータからローカルディスクへのデータ転送量の見込みに応じて保存用のハードディスク群の導入を延期した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記で述べたように、数値シミュレーションの実行状況に応じて臨機応変に対応して、必要な部分を速やかに執行する予定である。研究打合せについては、数値シミュレーションの詳細に関して定期的な国内出張を実施する見込みである。また、今年度には複数の国際会議へ参加する予定があり、多くの海外旅費がかかる見込みである。スーパーコンピュータのデータの移行については、アーカイブ作業を順次行う予定であり、データ整理をした結果により必要なディスク量が明らかになり次第、保存用ハードディスク群の導入を行なう予定である。パソコンの整備については、ソフトウェアの更新などを進めており、新年度において順次必要となるものを導入する。
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