2019 Fiscal Year Research-status Report
PCクラスタを用いた光度と位相変化に伴う中性子星のサイクロトロン線の研究
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19K03934
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| Research Institution | Nagano National College of Technology |
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Principal Investigator |
西村 治 長野工業高等専門学校, 電子情報工学科, 教授 (10259864)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 中性子星 / X線パルサー / サイクロトロン線 / 磁場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙において最も強い磁場を持つ天体が中性子星であり，その磁場強度を直接測定できる唯一の方法が本研究テーマであるサイクロトロン吸収線（以下，吸収線）のエネルギーである．伴星を伴う中性子星であるX線パルサーでは伴星からガスが降り積もることでX線を放射している．吸収線の特徴はパルス位相で変化することは以前から観測されていたが，近年では光度変化によっても変化することが観測されその原因について注目されている．
本研究の令和元年度では，この吸収線が光度変化に伴ってどのようにエネルギーや吸収線構造が変化するかのシミュレーションを行った．この問題を解明するために，輻射輸送の効果から降着円柱の壁付近では輻射圧が減少するためガス運動の減速が弱くなることに注目した．吸収線形成がこの壁付近の領域で主に起こることから，二次元で考えることで今まで行われてきたシミュレーション結果とは異なる結果を得ることができた．
観測では光度が上がるとともに吸収線のエネルギーが増加する場合と減少する場合があるが，この２つの場合を同時に矛盾なく説明できる理論モデルの構築が重要な課題となっている．本研究では，光度変化にともなう二次元での降着円柱内の幾何学変化とガスの運動の変化を考えることで，吸収線のエネルギーが増加する場合と減少する場合を再現することが可能となった．また，エネルギーだけでなく，吸収線の幅や深さの変化についても概ね再現することができ，観測に合うモデルを構築することができた．
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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
本研究の令和元年度の目標としては，降着円柱内での二次元モデルを構築し，降着物質の運動が無視できない領域を吸収線の形成領域として考え，シミュレーションを行うことであった．この場合，上方から高速で降り注いでくる電子と光子との散乱であるため，光子の下方への散乱確率が高くなり，散乱の対称性が破れることになる．従って，本研究では降着物質の速度の影響を考慮しやすいモンテカルロコードを開発し，大規模計算を実行するために並列計算コードの開発を行った．ここではIntel Xeon２０コア４０スレッドをデュアルで搭載したワークステーションを購入し，並列計算を行なった．モンテカルロ法では光子ごとの計算を並列化することで，５０倍程度処理速度を向上させることができ，一日程度での計算が可能となっている．
また，X線パルサーでは，光度変化に伴って降着円柱から放射されるビームパターンが変化すると考えられており，実際，観測でもパルス波形が光度変化に伴い変化することが確認されている．このモデルでは，ビームパターンの変化に伴い，降着物質の速度の減速の割合が変化することに着目し，サイクロトロン吸収線のエネルギーが光度変化に伴ってどのように変化するかを計算した．
その結果，観測で見つかっている比較的低い光度でのエネルギーの増加現象と高い光度でのエネルギーの減少する特徴を再現することができている．このように計算速度を向上させることができ，本研究の一つのテーマであった光度変化に伴う吸収線エネルギーと構造の変化のメカニズムを理論的にモデル化することに成功したことから当初の計画とおり，おおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
中性子星の磁極は，地球の北極と南極のように2か所にあると考えられる．これまでのほとんどの研究では，１つの磁極のみで形成されるサイクロトロン線を計算していた．しかし，重力により光の経路は曲げられるため、２つの磁極からの放射は混合されて観測されることになる．特に，それぞれからの放射の強さが同程度である場合は，２つの磁極からの重ね合わせの効果は大きく、最終的な吸収線はより複雑な構造を持つことが予想される．実際にいくつかの天体の観測では，一回転の中の位相ごとのスペクトルも解析されている．
今後の研究では，位相ごとの吸収線構造を調べるために，重力により光が曲がる効果を考慮し，２つの磁極からの放射の重ね合わせを計算することを考える．これにより，角度依存性を考慮した輻射輸送問題を解くことで，位相ごとのスペクトルの特徴を正確に再現することが可能となる．観測では典型的には，4つの位相ごとのスペクトルが解析されており，この角度依存性を詳細に調べるためには，計算する光子数を4倍程度にして計算する必要がある．
この数の光子数と重力により光が曲がる効果を考慮して計算するために１６コア３２スレッドを搭載したワークステーションを追加購入し，PCクラスタを構成することにより，1コアCPUよりも１００倍近い計算速度で計算を実行することで，位相ごとの吸収線構造を計算する予定である．
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| Causes of Carryover |
論文投稿が遅れたこととコロナウイルスの影響で学会への出張ができなくなったため次年度使用額が生じてしまった。次年度において追加のワークステーションの購入と論文投稿を行い、学会への参加や海外出張が可能となった場合は旅費として使用する予定となっている。
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