Properties of Supernova Explosions of First Stars and Connections to Blackhole Formation as Gravitational Wave Sources

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04024
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Nomoto Ken'ichi 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (90110676)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 知治 中部大学, 工学部, 教授 (20280935)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 初代星 / 超新星 / ブラックホール / 重力波 / 元素の起源

Outline of Final Research Achievements

This project aims at clarifying the nature and evolution of first stars in the universe, in particular, the nature of the progenitors of massive black holes observed with gravitational waves and the new type of superluminous supernovae. We have studied the 80-140 solar mass (Msun) stars, which undergoes pair-instability pulsations and gravitational collapse to form black holes. Our findings are as follows: 1) These massive stars undergo lots of mass loss due to
pulsations and form circumstellar matter. 2) The maximum of the black hole is about 50 Msun, which is consistent with the gravitational wave observations (except for 1 exception). 3) Nucleosynthesis of supernovae that associated with the black hole formation shows the importance of the Si/O and Ca/O ratios to identify the progenitor masses.

Free Research Field

天文学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

我々自身の起源、将来を解明する上で、この宇宙がどのように誕生し進化してきたかを明らかにすることは、学術的にも社会的にも最も重要な課題の一つである。多くの観測が宇宙はビッグバンとして始まったことを示しているが、ビッグバン後にどのような初代星が形成されたかは明らかになっていない。本研究では、最近の重力波の観測から得られたブラックホールの質量を手がかりに、ブラックホールの形成に伴う特異な超新星のモデルを計算し、ブラックホールと超新星の親星の質量範囲を特定することができた。それにより、初代星の有力候補とその質量範囲を推定することができた。