Nebular emission of Kilonovae

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14513
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 仏坂 健太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50867033)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: キロノバ

Outline of Annual Research Achievements

キロノバの放射に最も強い影響を与えるランタノイド元素の一つであるネオジム(Nd)元素に注目して、星雲期の計算に必要な原子物理量の計算を行った。具体的には、Hullacコードを用いて再結合定数、衝突励起断面積、GRASPコードを用いてエネルギー準位およびA係数である。これらのデータを用いて、中性子星合体後のエジェクタが原子の光学的性質についてはネオジムよって代表されると仮定して、キロノバ星雲期の電子温度、イオン化率などの熱力学量の時間発展を計算した。ここで基本的なスペクトル構造は異なるランタノイド元素によって類似していることを鑑みれば、ランタノイド元素をある特定の元素、ここではNd、に代表させるという方法は熱力学的量の定性的な振る舞いを導出する上では妥当であると考えられる。光学的な性質はNdで代表させたが、ベータ崩壊による加熱率は種々の重元素からなるものを用いている。
これらの計算から、まずキロノバ星雲期では初期に温度・イオン化率が上昇するが、後期ではこれらの物理量が一定になるという定性的な振る舞いを導いた。物理的な説明は以下のように与えられることを示した。まず重要なのはR過程元素のベータ崩壊による単位質量あたりの加熱率がエジェクタの密度に比例するという性質である。これはベータ線の運動エネルギーの散逸がエジェクタ物質に対するイオン化、つまり電子とイオンとの２体衝突であることに起因する。一方で、イオンによるエジェクタの冷却およびイオンの再結合もまた電子・イオンの２体衝突である。したがって、これらの比は後期では一定なのであり、キロノバ星雲期の温度・イオン化率が一定に漸近することが導かれる。この性質に数値的に求めたスペクトルを含めた結果をMonthly Notice Royal Astronomical Society に投稿中である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究の主目的は将来的にJames Webb Space Telescope (JWST)によるキロノバ星雲期の観測が行われることを想定している。本研究を計画した当初はJWSTの進行が不明瞭であったが、令和２年11月にJWST cycle 1のプロポーザルの募集があったことで、それに合わせて当初の計画よりも急いで研究課題に取り組んだ。

Strategy for Future Research Activity

今後、より多くの原子に対する理論・実験データを準備し、観測と比較可能な理論を構築することに取り組む。

Causes of Carryover

Covid-19の流行により、予定していたように海外研究機関への訪問、国際会議の参加が予定通りにできなかったため。