2013 Fiscal Year Annual Research Report
強磁場中性子星の多次元進化計算と観測比較による内部磁場の制限
Publicly Offered Research
| Project Area | Nuclear matter in neutron stars investigated by experiments and astronomical observations |
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| Project/Area Number |
25105510
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
安武 伸俊 千葉工業大学, 情報科学部, 助教 (10532393)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 中性子星 / マグネター / 状態方程式 / X線 / 回転平衡形状 / 進化計算 |
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| Research Abstract |
本年度の研究成果は、主に（研究代表者が筆頭著者という意味で）以下の３つである。
1) ひとつ目は、強磁場中性子星の構造や磁場分布をもとにその時間的推移（進化計算）を追えることに成功したことである。現在、観測されている典型的な強磁場中性子星は数千年であるが、それに対応するような進化計算が追えるようになっている。大きな成果としては、磁場分布を起源とした温度の非一様分布も理論的に説明する事に成功したことである。ただし、磁場の散逸に関しては誘導方程式をより正確に解く必要があり、それは今後の課題である。
2) 次の成果は、中性子星内部の状態方程式に関するものである。質量が重い星の内部では、クォーク＝ハドロン相転移が起きる可能性が昔から示唆されていたが、それが近年の観測成果や格子QCD計算と無矛盾であるかどうかについて調べた。その際、多成分系での相転移で一般的に現れるとされる非一様構造(パスタ構造)も考慮に入れた。結果として、非一様構造における表面張力とクォーク有効模型(今回、我々が用いたのはnon-local NJL模型)におけるベクター項の強さに制限をかけることに成功した。
3)本研究のように、星の多次元の進化計算を考えた場合、避けられないものは星の回転が進化に与える影響である。しかしながら、現実的な星の状態方程式を使って完全に星の進化を計算をする手法は、まだ確立していない。今年度、我々はその問題に対する突破口ともいえる手法を提案した。その手法では、質量座標系に基づき、現実的な状態方程式(バロクリニック)で回転平衡形状を得ることができる。今後は、得られた平衡解の安定性を評価していきたい。
これら1)～3)は、独立の研究であったが、今後はこの全てを統一的に理解していきたい。なお、1)に関してはすでに学術論文雑誌に掲載が決定されており、2),3)に関しては投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究代表者が中心となってすでに３つの大きな成果を単年度であげることができたため。これらの研究成果は、研究代表者が筆頭著者の場合のみを紹介しただけであり、さらに数本の共同研究成果があげられている。
とくに回転平衡形状の成果[参考文献：arXiv.1402.4567]は中性子星のみならず、回転している全ての星に適用できるために画期的なものである（惑星形成、大質量星形成など）。安定性を十分解析したのちに、元素合成や分子形成などと結びつければ星の一生を途切れなく計算できるようになるはずである。このように影響が大きいために、我々の本年度の成果は過去の平衡形状の結果と比較するなどして、十分に精査する必要がある。
また、星の多次元的な進化は、中性子星に限らず天文分野における未解決問題として残されている大きな課題である。中性子星に関して言えば、世界で我々を含む2、3のグループのみが結果を得ることに成功している。ただし、この問題を完全に解けるグループはなく、それぞれが何らかの近似を課しているのが現状である。さてここで、各々のグループの近似が、どれほど最終的な完全計算に近づくかという国際競争になってくる。現時点では、
(i) 星の平衡形状を用いている、
(ii) 陰解法的な手法で進化計算を多次元的に解いている、
という点で我々の研究は大きくリードしている。
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| Strategy for Future Research Activity |
26年度からは、冷却過程として超流動・超伝導やハイペロンを含むダイレクトUrca過程などの標準模型以外も考慮に入れる。ここで重要となるのは、ハイペロンの自由度を考慮したとしても、その状態方程式は観測から要請される太陽質量の２倍の中性子星を説明できるかということである[Demorest et al.2010 nature]。さらに、そのときの星内部のハイペロン存在比が、ニュートリノ放出率と直接結びついている。
また最終目標である中性子星の完全な多次元進化計算へ向けた定式化も適時考える。初年度との大きな違いは構造進化までも解く必要があり、数値計算上のコストを考えると、これには完全な二次元陰解法の計算コードの開発が不可欠となる。一次元計算では、平衡形状(TOV方程式)と連続の式、エネルギー方程式を同時に満たす解を探す作業を行っているわけであるが(Henyey法)、申請者の研究においても、最終的に中性子星の進化を二次元においても完全に解くことが理想である。応募者は現時点で質量保存、角運動量保存を満たしつつスピンダウンする星の二次元平衡形状の解を連続的に求めることに成功している[Yasutake et al. 2008 MNRAS, Yasutake et al. 2005 PTP]。ただし、回転則を仮定しているなどと不完全である。実際、これが解ければ、中性子星の問題に限らずあらゆる天文現象に応用可能であり、インパクトも大きい。２年間という短い期間であることを考え、研究期間終了時までに角速度分布を仮定しない二次元平衡形状を計算する計算コードの定式化を目標にする。この研究に関しては、半年前からすでに山田 章一 氏(早稲田大学教授)と議論を開始しており、少しずつではあるが進展している。現状では、二次元ラグランジュメッシュの下、変分原理的に星の構造を導くところまでは成功している。
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Research Products
(12 results)
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[Journal Article] Rapid spin deceleration of magnetized protoneutron stars via asymmetric neutrino emission2014
Author(s)
Maruyama, Tomoyuki; Hidaka, Jun; Kajino, Toshitaka; Yasutake, Nobutoshi; Kuroda, Takami; Takiwaki, Tomoya; Cheoun, Myung-Ki; Ryu, Chung-Yeol; Mathews, Grant J.
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Journal Title
Physical Review C
Volume: 89
Pages: 035801, 1-6
DOI
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