2018 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical research on gravitational wave phenomena caused by string axions
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18K03654
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
吉野 裕高 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 数学研究所専任研究所員 (20377972)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ブラックホール・アクシオン系の最終状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は研究実施計画に記した「①超放射不安定の最終段階における現象の信頼性の高い予測」に関して研究を遂行した。これは回転ブラックホールまわりのアクシオン場の振る舞いを数値的に計算する研究である。まず、以前使用していたコードの問題点を改良した。以前は計算領域の外側の境界で固定端の境界条件を課していた。これは場が有質量であるため、現実的な無反射境界条件を課すのが難しかったためである。本年度、無反射境界条件を課す方法の開発に成功した。
新しいコードを使って計算しなおしたところ、以前とは違う結果が得られた。以前の計算は l=m=1 モードのアクシオン雲の成長の最終段階で「ボーズノバ」と呼ばれる爆発現象がおこることを示唆していた。しかし、新しいコードではボーズノバ現象はおこらず、超放射不安定によってブラックホールから引き抜いたエネルギーをそのまま遠方に放射する状態に落ち着いた。古いコードでは固定端の境界条件によって遠方に放射された場が反射されて戻ってきて、それがボーズノバの発生を引き起こしたと思われる。「アクシオン雲の成長の最終段階ではボーズノバはおこらない」というのが本年度得られた重要な知見である。
次の課題として、各モード、パラメータにおける最終状態の決定に取り組んだ。狙いは長期シミュレーションによってアクシオン雲がほぼ定常になる状態まで追うことであったが、異なる初期条件から始めると異なる最終状態に落ち着くという結果が得られてしまい、まだ現実的な最終状態は得られていない。
この他に、最近Ｍ８７という活動的銀河核にある超巨大ブラックホールの光学的な映像（ブラックホールシャドウ）が撮影されるという観測方面での画期的進展があった。アクシオン雲がまわりに存在を光学的な観測で検出できるかどうか調べるため、ブラックホールまわりの光の振る舞いについて研究をはじめている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実施計画では①から④の４段階の計画を提示した。そのうちでまだ①の途中であるので、やや遅れていると判断される。最終状態に関しては、当初期待していた「ボーズノバ現象」が起こらないことがわかり、かわりに定常的な最終状態を決定する必要があるが、現在までに得られたシミュレーションでは数値的にその状態を決定することがかなり困難であることが判明してきている（研究実績の欄に書いたように、異なる初期条件から始めると異なる最終状態に落ち着いてしまい、どれが現実的かの判断が難しい）。そこで新たな方法を考えださなければならない。これがやや遅れている理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
「①超放射不安定の最終段階における現象の信頼性の高い予測」を完成させることが急務であるが、数値的に強引に最終状態を決定することは難しいことがわかった。そこで、今後は解析的方法と数値的方法を組み合わせて解析を進める。アクシオン雲の成長が止まるのは、非束縛状態のモードが非線形自己相互作用によって生成されるためである。アクシオン場の振動の振幅がさほど大きくない場合、この非束縛状態のモードの生成はモード分解によりある程度解析的にあつかえる。そこで、このような解析的手法を用いて（振幅が大きくないという近似のもとで）おおよその最終状態を決定しておき、数値シミュレーションで矛盾が生じないかどうかを確かめるという方針を採用する。
最終状態が決定できれば「②ブラックホールの質量、角運動量の長期的時間発展」および「③放射される重力波の詳細な予言の提供」に順次着手する。
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| Causes of Carryover |
当初の交付申請書ではパソコンを１台購入するとしていたが、所属機関より一台貸与されたため、購入を見合わせていた。次年度使用額を用いて国際学会に参加し、また、必要があれば補助的なパソコンを購入する。
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