2021 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 – 2023-03-31
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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 / クォーク星 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題はコロナウイルス感染症の影響から，研究期間を2022年度末までに再度延長した。2021年度は本研究課題で開発を継続している数値相対論的シミュレーション初期データ計算コードCOCAL(Compact Object CALculator)を提供し，Antonios Tsokaros氏(UIUC)，Zhou Emping氏(華中科技大，AEI)その他の共同研究者らがこの初期データを用いたシミュレーションを行った。
まず，前年度にCOCAL上で開発した回転クォーク星の計算コードを，連星クォーク星を計算できるよう拡張した。このコードで求めた初期データから，連星クォーク星合体の数値シミュレーションに成功し，合体後にできる差動回転する超質量クォーク星の最大質量などを求めた。この結果をまとめた論文は現在投稿中である。
次に，2019年度にCOCALコードを用いて計算した極めて強いポロイダル成分とトロイダル成分の両方の磁場を伴う相対論的回転星の初期データを用いて，これまでに行われた数値相対論的シミュレーションの中でも，最も強力な磁場を伴う相対論的回転星のシミュレーションを実行した。シミュレーションからこのような磁気回転星のほとんどのモデルでは短い時間で非軸対称不安定が成長することが示されたが，磁場の強さを系統的に変化させると，Alfven時間を超える比較的長い時間軸対称な平衡状態が保たれる場合もあることが分かった。この結果はPhysical Review Letters誌に掲載された。
最後に，前年度から継続していた「連星中性子星の初期データ，ブラックホールとその周りの自己重力を伴うトロイド，および磁場を伴う相対論的回転星」についてのレビュー論文の執筆を終え，General Relativity and Gravitation誌に投稿した。
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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
2021年度は，COCAL上で開発したコードを用いて計算した初期データを提供して，数値相対論的シミュレーションを実行することができた。これらの初期データはクォーク星や極めて強い磁場を伴う高密度星など，世界的にもこれまで取り扱われることの少なかった天体に関するものだった。特に後者の研究成果は，インパクトファクターの高いPhysical Review Letters誌に掲載されたことからも新奇な研究として認められたと考えている。このように，本研究課題である多様な高密度天体の初期データの計算が可能となり，またこのデータをシミュレーションに提供して実際にシミュレーションを実行することで，一連の研究を最初から最後まで共同研究者とのグループの中で完結することができた。このことから当初の研究目的を充分達成することができたと考えている。
2020年度はコロナ感染症の影響で研究がやや停滞したが，1年間期間を延長し，3年度分に対応する研究はおおむね達成できたと考えている。また，本科研費の一部を利用して2020年度に数値宇宙物理の国際研究会EANAM9を沖縄で開催する予定であったが，これが2度延期され，2022年度に開催予定となった。このため本研究費の2回目の延長を申請し，研究機関を2022年度末までの5年間とした。
最後に，これまでの我々の研究成果も含めて，数値相対論の初期データに関するレビュー論文を共同研究者のAntonios Tsokaros氏（UIUC）と執筆・投稿した。このレビュー論文で，これまでの成果をまとめる形になったとも言えるが，COCALコードで計算のできる初期データやコードのさらなる拡張に関する問題はまだ数多く残されており，今後さらに研究を継続して行く必要がある事から評価は(2)の「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の目的は概ね達成されており，2022年度に期間を延長した理由は後述の通り，2020年9月に開催予定であった国際研究会EANAM9がコロナ感染症の影響で2022年9月に延期されたためである。本研究課題の研究代表者は2022年度から基盤（Ｃ）「定常波を伴う数値相対論の初期データ」として採択された新たな研究課題を開始する。この課題で引き続きCOCALコードの拡張を行っていく。本研究課題は今年度が最終年度となるが，EANAM9に合わせて招へいする共同研究者らと，新しい研究課題において今後取り組む新たな初期データ計算のアイデアを考えて行く。これまでに考えているアイデアには次のようなものがある。
COCAL上で開発した超強磁場を伴う相対論的回転星の計算法では，星の外部を真空と仮定していた。これを改良して，星の外部をフォースフリー磁場による磁気圏とした相対論的回転星のモデルを考える。一般に，このような磁場を伴う天体の外部には密度の無視できる薄いプラズマが存在しており，完全な真空よりもフォースフリー磁気圏の方がより現実的な状況だと考えられている。従ってこの改良により，さらに現実的な磁場を伴う回転星のモデルを構築することが可能となる。また，この計算方法を拡張して，ブラックホールの周りの様々な磁気圏を数値的に求めるコードの開発も試みる。現実的なブラックホール磁気圏はKerr時空などの背景時空を仮定して求めるが，我々の方法では時空構造に影響を与えるぐらい極めて強い磁気圏も原理的には取り扱うことができる。このような極強磁場を伴う時空は現実的にはあり得ないと思われるが，このような時空と磁場のダイナミクスを解明することは理論的には興味深い。このような問題も今後の数値相対論の新しい問題として提案できるのではないかと考えている。
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| Causes of Carryover |
本研究課題は2020年度末までの3年度で終了する予定であったが，コロナ感染症の影響で2回延長し2022年度末終了予定となっている。1回目の延長の理由は，2020年度にコロナの影響で研究の進捗が滞ったこと，2020年度9月に現地実行委員のメンバーとして沖縄で開催する予定であった数値宇宙物理学の国際研究会EANAM9の会場費として，本科研費を一部を2019年度に既に利用してしまっていたことと，この研究会に合わせて共同研究者の招へいに利用する予定だったことである。2021年度に本研究課題の研究は充分進捗したため上記の一つ目の理由は解消されたが，コロナ感染症の影響で国際研究会EANAM9は再度2022年度9月に延期となった。このため，2021年度には本研究課題の予算は利用せず，そのまま2022年度に繰り越した。この予算で2022年度9月のEANAM9開催時期に合わせて，研究打ち合わせのために海外の共同研究者1～2名を招へいする予定である。ただし，現在のところ研究会は開催の方向で準備が進んでいるが，海外からの渡航者の検疫が継続される場合，招へいが不可能となる可能性も高い。この場合は，予算執行計画を見直し，老朽化した解析用PCの更新費用や，本科研費で購入したワークステーションのメモリ増設費用等に利用することを考えている。
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Research Products
(7 results)
