2019 Fiscal Year Research-status Report
Construction of various initial data for numerical relativity simulations
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18K03624
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| Research Institution | University of the Ryukyus |
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Principal Investigator |
瓜生 康史 琉球大学, 理学部, 教授 (40457693)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 相対論・重力（理論） / 重力波 / 相対論的宇宙物理学 / 数値相対論 / 相対論的回転星 / 連星中性子星 / ブラックホール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究では，前年度に引き続きAntonios Tsokaros氏（UIUC），Enping Zhou氏（AEI），吉田至順氏（東北大）らと協力し，高密度天体の多様な定常状態や準定常状態の数値計算を行うと伴に，これらを初期データに用いた数値相対論的シミュレーションを行った。
まず，極めて強い磁場を持つ相対論的回転星の数値解の計算を行った。この計算では，定常軸対称の仮定の下で，磁場のポロイダル成分とトロイダル成分の両方を含む回転星の数値解を，相対論的な重力場，磁場と電磁流体の平衡状態の全てにおいて最も一般的な定式化を用いて求めることに世界で初めて成功した。特にトロイダル磁場が極めて強くなると，磁場が物質を押しのけて，高密度星の内部にトロイド状のトンネルを形成する可能性を明らかにした。
次に，内部にエルゴ領域を持つ相対論的差動回転星の計算を行った。このような天体は，高エネルギー粒子を加速するジェットを形成する可能性があることから注目されている。エルゴ領域を伴う回転星の解はこれまでに幾つかの研究で求められているが，それらは，非圧縮性流体のように音速が光速を超えてしまう因果律を満たさない状態方程式を用いているか，トロイド状に大変形しているような現実的でないモデルだった。この研究では因果律を破らない状態方程式を用いて，差動回転の度合いがあまり大きくない楕円体形状の回転星で内部にエルゴ領域を持つ回転星の解を求め，これを初期条件に用いて，数値相対論的シミュレーションを行うことで，この様な回転星が力学的に安定であることを示した。
他にも，通常の中性子星の約３倍の質量を持つ高密度星連星が重力波放出により合体する際に，連星ブラックホール合体との区別が出来るかについて数値相対論的に調べた研究や，差動回転するストレンジスターの平衡解についての研究など多様な高密度天体の研究を行った。
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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
今年度は，本研究課題の趣旨に沿って多様な高密度天体の平衡解や準平衡初期データの計算を遂行することが出来た。主要なテーマの一つである超強磁場を伴う相対論的回転星の研究では，これまでに開発してきたCOCALコード上で，Maxwell方程式や電磁流体の運動方程式の第一積分を解くためのサブルーチンを開発した。この新しい計算法を詳述した論文はPhysical Review D誌に掲載された。
Physical Review Letters誌に出版した2本の論文では，エルゴ領域を伴う相対論的回転星の数値シミュレーションと，通常の連星中性子星の約3倍の質量を持つ連星高密度星の合体シミュレーションを行った。前者では，因果律を満たす状態方程式を用いてエルゴ領域を伴う回転星を計算し，これが力学的に安定であることを示すことに成功した。後者では一つ当たりの質量が太陽質量の4倍程度の高密度星の連星の場合と，これらと同じ質量の連星ブラックホールの場合の合体直前の重力波が，LIGO/VIRGO/KAGRA等の重力波検出器によって区別することが可能であるか検討した。それぞれの場合の重力波形の位相に僅かな差が生じることから，このような高密度星が存在すれば，将来的には，ブラックホール合体と区別可能であることをを定量的に示した。これらの計算は，比較的エキゾチックな高密度天体のモデルについての研究とも言えるが，これまでに前例のない研究であることから，インパクトファクターの高い専門誌に論文を出版することが出来た。
昨年度導入した新しいストレンジマターの状態方程式を用いた高速回転星の計算を，回転が差動回転である場合について系統的に行った。この結果もPhysical Review D誌で出版された事は，COCALコードを用いて独創的な研究成果をコンスタントに上げることが出来ることを示していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
一般相対論的な平衡解・準平衡初期データを計算するCOCALコードで，Einstein方程式とMaxwell方程式を一般的に取り扱う定式化とサブルーチンの開発は概ね完成した。今後は様々な座標条件を課した下で，高密度天体やブラックホールの計算が可能であるか，詳しいテスト計算を行うことを計画している。様々な座標条件を取り扱う定式化はすでにCOCALコードに実装されているが，これまでの所，Dirac座標条件とKerr-Schild座標条件の２つの場合しか計算を行っていない。例えば，連星ブラックホールの計算の際には，ブラックホール近傍と，遠方の漸近平坦領域で，それぞれに適した座標条件に切り替えると言った斬新なアイデアを用いた初期データの構築が可能になることから，今後この計算コードのテストを進めて行く。このために，差分法を高精度にする必要があるため，現在差分スキームを再検討している。
次に，今年度応募予定の科研費の研究課題も念頭に置いて，今後のテーマとして，非等質量の連星中性子星，磁場を伴う連星中性子性，ブラックホール－中性子星連星などの，より複雑な連星系の初期データ計算に向けた準備を行う。例えば，ブラックホール－中性子星連星計算に適した上述の座標条件の切り替えを，複数の座標パッチ上で行う手法の開発や，連星系に磁場を取り入れるための，電磁流体の平衡状態の第一積分の定式化の検討などを行う。これらのテーマについては共同研究者とも協力しつつ進めて行く。
COCALコードには，既に他のコードに見られない独創的な手法が幾つも実装されていることから，比較的結果を出しやすい研究テーマも複数ある。これらも時間の許す限り並行して進めたい。例として，白色矮星の状態方程式をCOCALコードに実装し，円軌道にある連星白色矮星の数値計算法を開発することなどを計画している。
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| Causes of Carryover |
初年度（2018年度）に配分された高性能ワークステーション購入のための物品費を次年度（2019年度）に繰り越し，2019年度の秋に購入した。今年度（2020年度）９月に国際学会9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting(EANAM9)の開催の計画があり，これに合わせた複数名の共同研究者招へいや会議開催に必要な経費を見込んで，2019年度のワークステーション等購入後に余った配分予算の一部を繰り越した。しかしながら，３月以降コロナウイルス感染症による影響により，この国際会議開催日程の変更が見込まれるため，今後の執行計画を見直す可能性がある。見直しの計画としては，本科研費を次年度まで延長する申請を行うか，または，老朽化した解析用PCの更新費用と故障した小型ワークステーションの修理費に充てることを考えている。
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Research Products
(13 results)
