2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study of non-spherical core-collapse supernovae by the first principle calculation and nuclear physics
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20H01905
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| Research Institution | National Institute of Technology(KOSEN),Numazu College |
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Principal Investigator |
住吉 光介 沼津工業高等専門学校, 教養科, 教授 (30280720)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 了 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 基礎科学特別研究員 (80844795)
古澤 峻 関東学院大学, 理工学部, 講師 (40737251)
松古 栄夫 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 助教 (10373185)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超新星 / 爆発メカニズム / ニュートリノ / 原子核 / 高温高密度物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
重い星の最期に起こる超新星爆発現象のメカニズム解明では、高温高密度物質におけるニュートリノ反応・伝播が鍵を握っている。ニュートリノによる加熱と対流などのダイナミクス計算は今まで近似手法で行われ、その不定性のため爆発の可否は未定である。本研究は、ニュートリノ輻射流体の厳密計算により非球対称超新星爆発メカニズムの本質を探り、最新の核物理による状態方程式を組み込み高温高密度物質の役割を確定することが目的である。
2021年度は、高温高密度物質における原子核組成の違いがバウンス直後に起きる対流の発生へ与える影響が普遍的であるかを検証する研究を主に行った。初年度の比較に基づいて状態方程式の影響を探るための２次元軸対称超新星シミュレーション計算を新たに行った。整備済みである状態方程式データテーブルの活用により、一様核物質は同一であるが、原子核の混合組成の取り扱いが異なるセットを用いて、組成の違いに焦点をあてることとした。また、初期条件における擾乱の設定による違い、質量が異なる親星モデルによる差異を探るための追加モデル計算を行った。いずれも大規模な計算であるが、年度内に概ねの目標時刻までの計算を行なっており、計算結果データの解析を行なっている。
この他、新たに構築した状態方程式データテーブルを用いた球対称計算により重力崩壊・バウンス・衝撃波伝播の影響を先行して探ることを行い、2次元軸対称計算の準備を行った。さらに、大質量星の重力崩壊や原始中性子星冷却シミュレーション計算のデータ解析により、非相対論的核子多体理論による状態方程式の影響についての分析、重力波の固有振動の特徴の解明、超新星ニュートリノの観測シグナルにおける状態方程式による違いの予測を行い、国際査読論文雑誌における出版を行った。
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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
本研究では、ニュートリノ輻射輸送を扱うボルツマン方程式を厳密に解く手法を駆使し、最新の核物理を組み込んだ多次元的な爆発シミュレーション計算により爆発メカニズムを解明する計画を立てている。第一原理的なシミュレーション計算であるため、大学・研究機関のスーパーコンピュータ群における大規模計算資源を必要とし、モデル計算には半年以上の月日がかかっている。また、予想外の計算上の問題が発生すれば計算コード改良の対応が必要となる場合もある。
今年度の研究では、組成の取り扱いが異なる状態方程式を用いた長時間発展計算、および、必要な時間領域に焦点をあてた比較計算を実行できた点が大きな進展である。新たな相対論的核子多体理論による状態方程式の採用による新規の計算のため、球対称計算における調査により数値計算上の問題解明が行われて、2次元軸対称計算の実行へと移行を行った。また一般相対論的な流体力学・時空メトリックの時間発展計算コード開発が行われて、一般相対論のもとでボルツマン方程式を用いたニュートリノ輻射流体計算を行うための素地を整えることができた。これらの問題解決およびコード開発を優先して行ったため、大規模数値シミュレーションの計算結果の解析が遅れ気味であるが、予備的な解析の結果は良好であり、目標とするモデル計算を概ね行うことができた。
一方、既存の計算コードによる一般相対論的な球対称計算については、順調にモデル計算が行われており、非相対論的および相対論的核子多体理論による2つの状態方程式の比較を基軸に状態方程式による大質量星の重力崩壊現象への影響の探索が行われた。また、超新星ニュートリノ観測へ向けたシグナル予測のため、状態方程式・原始中性子星モデル群をカバーしたデータ整備を行い、ウェブ上で広く公開を行うことができた。これらの研究成果は査読論文や物理学会などで発表が行われた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究については、基本的には申請時の年次計画に沿って進行していくことで問題ないと判断する。ただし、天文分野における新たな観測や、原子核分野における新たな実験データなどによる状態方程式の制限などにより、研究の順番や方向を常に改善していく必要はある。また、計算機資源の確保状況やシミュレーション実行の進展によっては研究計画を臨機応変に見直す場合もある。
来年度から研究計画の後半に入るため、今後はシミュレーション計算による結果の解析と成果報告へと注力を行っていきたい。2021年度の計算により、状態方程式における組成取り扱いの違いによるバウンス初期の対流発生への影響については、比較モデルを概ね揃えることができている。これらの分析による解明が大きな節目となり、今後のモデル計算の方向にも関わってくる。引き続き、計算済みのモデルにおけるニュートリノ・重力波放出シグナルの分析も課題である。
計算コードの一般相対論化についても来年度はシミュレーション計算が本格化する予定である。すでに原始中性子星における対流の記述には成功しており成果発表を準備中である。一般相対論における流体計算コードも整っており、アインシュタイン方程式の解法計算コードの最終チェックが終われば、これらを統合して、一般相対論におけるニュートリノ輻射流体の第一原理計算が可能となる。これにより大質量星の重力崩壊・コアバウンス・衝撃波伝播を一貫して計算して爆発の可否を見出す目標へ向かうことになる。
2021年度も新型コロナ感染症対策による制限により研究メンバーが直接集まる機会は持てず、リモート会議により必要な打合せを行なった。今後の状況が許せば対面会議に移行して、今後の研究発展について自由な意見交換を行うための交流を行いたいと考えている。
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