2017 Fiscal Year Annual Research Report
nderstanding the formation mechanisms of compact objects from multi-dimensional stellar evolution history
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17H01130
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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) |
滝脇 知也 国立天文台, 天文シミュレーションプロジェクト, 助教 (50507837)
梅田 秀之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60447357)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 恒星進化 / 大質量星 / 超新星爆発 / 多次元進化 / 燃焼流体力学 / スーパーコンピューティング / 中性子星 / ブラックホール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大質量星の中心核の密度分布、重力集中度（コンパクトネス）は極限的高密度天体の形成メカニズムを決定づけるために本質的な役割を果たす。本年度は、既に出版・公開されている親星モデルを用いて、超新星爆発の多次元シミュレーションを実行するのと同時に、観測的に如何に中心核の構造に迫れるかを重点的に調べた。また、恒星進化の研究のハイライトとしては、連星の効果を含んだSN1987Aの親星モデルを構築したこと、さらに自転の効果まで含めた巨大質量星の超新星爆発(電子対生成不安定性駆動)の親星の構築に成功したことが挙げられる。
まず、本研究グループが進化計算を行った8.8太陽質量のO-Ne-Mgコアを持つモデルから75太陽質量までの大質量星を含む多数の親星モデルについて、超新星シミュレーションを系統的に実行し、ニュートリノ背景放射の評価を行った。本研究では、特にブラックホール形成を含む親星まで含め系統的に評価したことが特徴である。結果、ハイパーカミオカンデを含む次世代検出器をもってすれば、今後10年のタイムスケールで背景ニュートリノシグナルから、中性子星形成・ブラックホール形成の分岐を支配的に決めるコアの“コンパクトネス”に関する制限が得られることを指摘することができた。更に、コアバウンス時の反電子型ニュートリノシグナルの立ち上がりを詳細に解析することで、近傍の超新星に対しては、現在稼働中のスーパーカミオカンデを始めとする検出器によって、コンパクトネスに関する制限が得られることが明らかになった。
近傍超新星の中でこれまで最も詳細に観測されたSN1987Aの親星モデルの構築が急務であった。本年度の研究により、爆発前段階での青色巨星への時間進化や、化学組成など観測的特徴まで考慮した結果、14と9太陽質量の連星進化がSN1987Aの親星として最も整合性が高いことを世界に先駆けて指摘することができた。
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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
本年度は、多次元の恒星進化計算に向けたコード開発を重点的に行った。超新星流体コードを改良し、まず星の二次元軸対称性(2D)を課したシミュレーションコードを開発し、シリコン層における核燃焼が駆動する対流の効果を調べることに着手した。流体コードとしては、これまでのHLLD法から数値拡散が少ないHLLC法に改良したうえで、核燃焼の効果を扱うために21核種のネットワークを流体コードにカップルさせることに成功した。技術的なアップデートとして、球対称1次元(1D)コードから2Dコードへデータをマップする際に平衡解に緩和するスキームを開発したことが挙げられる。シリコン層における核燃焼が良く発達するのは、燃焼核における酸素の含有量の多さに強く依存することが知られている。既に本年度において、太陽組成を持つ親星の1D進化計算を系統的に行い、18太陽質量から20太陽質量付近の親星において上記の条件が満たされていることが確認した。現在、これらの親星を用いた2D計算を実行中である。また、並列計算における最適化も行い次年度以降の3D計算へ向けたコードのチューニングも同時併行して進めている。
近年のブラックホール(BH)連星からの重力波検出を受けて、巨大質量星の重力崩壊とBH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。本研究で得られたゼロ金属量を持つ70太陽質量の一般相対論的重力崩壊のシミュレーションを行い、フォールバックBH形成が起こることを示す結果を得た。これは従来、超新星の文脈では近似的なデモンストレーション的シミュレーションでのみその存在が指摘されていたものであった。本研究により精密なシミュレーションでこの機構に定量的に迫れたのが大きな成果と言える。今後は、上で述べた大質量星進化モデルに自転の効果や磁場の効果も含めることで、BH形成における自転・磁場の効果を調べる計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず次年度は、「これまでの進捗状況」で述べた多次元進化計算の結果を論文としてまとめることを第一目標に据える。この論文には、1D進化計算の結果が他の研究グループの得た最新の1D進化モデルと整合性が良いことをまず提示することが重要である。一方で星の進化計算は数値分解能やネットワーク計算における核種数の違い、ニュートリノ反応率の違いによって定量的な違いが現れることが知られている。その点を踏まえ、まず1D進化計算において他グループとの詳細比較を行う。その上で、18~20太陽質量のレンジに注目して2D計算を系統的に行い対流が発達するモデルを選定し、最も発達したモデルを選んで計算コストが高い3Dモデルを実行し、2Dと3Dの恒星の多次元流体力学的進化を詳細に調べ、論文としてまとめる計画である。更にこれら多次元進化計算と1D進化計算を比較して、これまで1D計算で多次元性を扱うのに使われていた様々なパラメータ(混合長, オーバーシューティング)の妥当性を検討することも重要でこの点も詳しく調べる計画である。
上の研究と同時併行的に、得られた多次元進化モデルを初期条件として投網式に2D, 3Dの超新星シミュレーションを行う計画である。このパートは、極めて計算効率が高いニュートリノ輸送法IDSAにニュートリノ反応をアップデートした輻射流体コードとM1法を用いた一般相対論的輻射流体コードを適宜用いて実行する計画である。そうすることで、多様な大質量星における中性子星・ブラックホール形成の様子をスーパーコンピューター上で再現し、その動的進化過程を明らかにする計画である。爆発的元素合成の定量的評価を行い観測と比較することが重要で、更には爆発時に放射される重力波・ニュートリノシグナルの観測可能性も精査する計画である。今年度から次年度にかけて、これらの研究課題に関しても実行していく。
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Research Products
(50 results)
