2021 Fiscal Year Annual Research Report
新しい精密重元素原子データで読み解く中性子星合体の元素合成
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19H00694
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
田中 雅臣 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70586429)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田沼 肇 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30244411)
中村 信行 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 教授 (50361837)
加藤 太治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (60370136)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 中性子星合体 / 原子データ / 重力波 / 重元素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子星合体からの電磁波放射（キロノバ）の性質、特に合体から一日以内の初期放射の特性を理解するために、高階電離の重元素の網羅的な原子構造計算を進めた。今年度は、rプロセスで合成されるランタノイドを含む重い元素(原子番号57-88)に注目し、四階電離から十階電離までのイオンの原子構造計算を完了した。この結果を用いて、中性子星合体からの放出物質がランタノイドを含む場合の不透明度を計算し、キロノバの初期放射の現実的な計算を行うための基礎的なデータを構築することができた。
さらに、2017年に観測された中性子星合体GW170817のスペクトルの特徴を解読すべく、波長が正確な原子データを用いた可視光スペクトルの計算を行った。その結果、先行研究で提案されていたストロンチウムの吸収線がスペクトルに現れることを、詳細なシミュレーションをもとに明らかにすることができた。また、放出物質にカルシウムが含まれる場合、同様に強い吸収線が現れることを示した。GW170817ではカルシウムの特徴は見えておらず、その事実から放出物質の物理状況を診断できることを示した。
また、前年度に導入したレーザー誘起ブレークダウン分光実験装置の新たな分光器を用いて、ランタノイド元素の一つであるエルビウム（原子番号68）の分光実験を実施した。その結果、一階電離のエルビウムイオンに関して、これまで測定されていなかった可視光遷移の遷移確率の推定に成功した。
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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年度の研究計画は (1) ランタノイドを含む高階電離の重元素の原子構造計算を行うこと、(2) レーザー誘起ブレークダウン分光実験装置による重元素スペクトルを取得することであった。
原子構造計算に関しては、予定通りランタノイドより重い元素に対して、四階電離から十階電離までのイオンの原子構造計算を完了することができた。特にランタノイドに関しては、基底状態の電子配置が分からないという困難があったが、網羅的な計算で基底状態の電子配置を推定する手法を確立し、対象とする全元素の原子構造計算を終えることができた。その結果を用いて中性子星合体の放出物質における不透明度を提供することができ、原子構造計算に関しては計画通り進展していると判断している。
レーザー誘起ブレークダウン分光実験では、予定通りエルビウムの発光スペクトルを取得できており、これまで測定されていなかった可視光遷移の遷移確率を測定することができた。
以上より、計画全体は概ね順調に進んでいると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度に行った高階電離重元素の原子構造計算の結果を用いて、輻射輸送シミュレーションを行い、放出物質がランタノイドを含む場合のキロノバの性質を明らかにする。既に、高階電離のランタノイドが極めて高い吸収係数をもつことが分かっているため、モンテカルロ輻射輸送シミュレーションでは計算時間が長くなることが想定されるため、そのような場合の計算手法の検討を行う。
中性子星合体の輻射輸送シミュレーションに使える波長が正確な原子データは可視光領域に限られているため、キロノバの赤外線スペクトルの特徴を読み解くのが困難な状態にある。そこで、原子構造計算の結果を用いて、スペクトルに特徴を作る可能性がある元素・イオン種を特定し、実験データと比較することで、赤外線領域でも使える原子データを構築する。重要な元素・イオン種が特定でき次第、レーザー誘起ブレークダウン分光実験装置を用いて、分光データを取得する。
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