2018 Fiscal Year Annual Research Report
高分解能数値シミュレーションで迫る初期宇宙の銀河進化メカニズム：多様性の解明へ
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17H04827
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
矢島 秀伸 筑波大学, 計算科学研究センター, 准教授 (10756357)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 銀河形成 / 輻射輸送 / 大規模構造 / 数値シミュレーション / ダスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の観測により、初期宇宙の銀河が多数検出されている。それにより、ダストに覆われた銀河、超巨大ブラックホールを持つ銀河、紫外線で明るい銀河など多様な銀河進化が起きている事が分かった。しかしながら、初期宇宙の銀河進化メカニズムや巨大ブラックホール形成過程は未だ良く分かっていない。本研究では、大規模な数値シミュレーションによりこれらのメカニズムを理論的に調べた。結果として、初代銀河の衝突の際に星間ガスは熱的不安定性により、熱いガスと冷たいガスが混在する多相構造となることが分かった。そして、衝突のパラメータ、銀河の金属量によって、冷たいガスの形成率、ガス雲の性質が大きく変わる事を示した。星形成は冷たいガス内で起きるため、本研究により初代銀河の星形成が銀河合体の軌道、金属量に依存していることを示唆した。また、銀河進化とともにその周囲には電離バブルが形成され、やがて宇宙再電離を引き起こす。本研究では、銀河進化、電離バブルの成長を整合的に取り入れた解析的モデルを構築し、電離バブルの統計量、銀河のライマンアルファ光度関数を導出した。これらとすばる望遠鏡の観測データを比較する事により、初期宇宙の銀河は100km/s以上のガスアウトフローが起きている事を明らかにした。これらに加え、銀河内でのブラックホール成長過程について輻射流体シミュレーションにより調べた。特に、ブラックホール周囲の角運動量と輻射フィードバックによるブラックホールへのガス降着率の影響を定量的に明らかにした。結果として、角運動量輸送が効率的に起きる場合、ガス円盤は紫外線によって一部のガスは光蒸発するものの、大きいガス降着率が達成されることを示した。
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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
数値シミュレーション、解析的モデルを駆使する事で、銀河形成過程について多角的なアプローチで研究する事が出来た。特に、初期宇宙の銀河内における星間ガスの構造、巨大ブラックホールの成長過程など、現在の観測では研究する事が難しい性質について、大規模な数値シミュレーションによって定量的に示した。これに加え、赤方偏移７の最新銀河データに関しても、解析的モデルとライマンアルファ輻射輸送計算を組み合わせる事で、観測では知ることが難しいガスアウトフローについてもその速度や運動量について明らかにした。これらの結果について査読付き論文、国内研究会、国際会議での発表を通して示す事が出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究によって初代銀河の進化と星形成、フィードバック、巨大ブラックホールとの関係について徐々に明らかにしてきた。今後はこれらを考慮したモデルを数値計算コードへと導入する。そして、大規模な宇宙論的流体シミュレーションにより、大規模構造、初代銀河、巨大ブラックホールの形成について統一的に調べて行く。計算領域としては500メガパーセクを設定し、高密度領域、ボイド領域などさまざまな環境を含むようにする。その中から適切に初期条件を選び、ズームイン法によって計算精度を上げ、大規模構造と同時に銀河内の構造も高精度に分解する。これによって、初期宇宙における爆発的星形成の起源、重元素汚染過程、巨大ブラックホール成長過程について明らかにしていく。
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