Study of nucleosynthesis in neutron star merger with optical-infrared follow-up observations of gravitational wave sources

• Project Area: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
• Project/Area Number: 17H06363
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 吉田 道利 国立天文台, ハワイ観測所, 教授 (90270446)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 冨永 望 甲南大学, 理工学部, 教授 (00550279) ; 関口 雄一郎 東邦大学, 理学部, 准教授 (50531779) ; 川端 弘治 広島大学, 宇宙科学センター, 教授 (60372702) ; 伊藤 洋一 兵庫県立大学, 自然・環境科学研究所, 教授 (70332757) ; 田中 雅臣 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70586429) ; 酒向 重行 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (90533563)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥205,400,000 (Direct Cost: ¥158,000,000、Indirect Cost: ¥47,400,000); Fiscal Year 2020: ¥36,660,000 (Direct Cost: ¥28,200,000、Indirect Cost: ¥8,460,000); Fiscal Year 2019: ¥46,410,000 (Direct Cost: ¥35,700,000、Indirect Cost: ¥10,710,000); Fiscal Year 2018: ¥56,160,000 (Direct Cost: ¥43,200,000、Indirect Cost: ¥12,960,000); Fiscal Year 2017: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000)
• Keywords: 光赤外線天文学 / 重力波天文学 / 重力波天体 / 突発天体 / 中性子星 / 元素合成 / 光学赤外線天文学

Outline of Annual Research Achievements

平成29年度前半は、J-GEMネットワークを用いて、米国および欧州の重力波望遠鏡LIGO、Virgoによる重力波観測のフォローアップ観測を重点的に行い、GW170814、GW170817の二つのイベントについて重力波の光赤外線対応天体探査を実施した。このうち、GW170817は人類初の中性子星合体の直接検出であったが、国立天文台すばる望遠鏡、名古屋大学IRSF望遠鏡などを用いて、光赤外線対応天体を検出、追跡観測することに成功した。すばる望遠鏡の観測は重力波発生から17時間後に行う事ができ、初期の可視光光度変化を追跡した。IRSFはおよそ1日後から観測を開始し、1μmから2μmまでの近赤外線で12日間の追跡観測を実施した。さらにすばる望遠鏡での赤外線追観測も実施して、総計15日間の追跡観測に成功した。このデータを詳細に分析し、本研究チームの理論班の理論シミュレーションと比較した結果、中性子星合体から放出された超高速物質中で高速の中性子捕獲反応が起こり、その結果大量の重元素が合成されたという証拠が得られた。これらの元素の放射性崩壊熱による光赤外線放射を捉えることに成功したのである。この追跡観測は、世界の他のチームとも協力しながら進めた。これは人類が初めて重力波と電磁波の双方を用いて天体現象を観測した画期的なイベントであり、ここにマルチメッセンジャー天文学の新たな地平が切り拓かれた。
並行して、中性子星を含む合体現象に関する数値相対論シミュレーションを進め、ニュートリノのエネルギー算出の研究を進めた。また、中性子星合体からの放出物質中の元素合成のシミュレーションを行い、放出物質からの電磁波放射の計算を行った。こうした理論的研究は、上記の観測データ解釈に用いた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

J-GEMネットワークによって、人類初の中性子星合体からの重力波検出であったGW170817の光赤外線追跡観測に成功し、重力波に伴う電磁波放射を捉えることに成功し、さらに2週間以上にわたってその光度変化を追跡することができた。そして、これらのデータと理論シミュレーションの結果を詳細に比較することで、中性子星合体からの放出物質中で、大量の鉄より重い元素が合成されているという証拠を得た。この研究結果は、r-過程元素の起源に迫る重要なものであり、すべてのr-過程元素が中性子星合体で合成されるという確実な証拠までは至らないものの、少なくとも一部のr-過程元素の合成現場を観測的に明らかにしたという意義がある。これは本計画研究の最終目標に迫るものであり、当初の予想をはるかに超える大きな成果であった。したがって、「当初の計画以上に進展している」と自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

今後も以下の二本の柱で研究を推進する。
（１）数値相対論シミュレーションによる中性子星を含む合体現象からの電磁波放射の理論研究。平成30年度は、連星中性子星合体の数値相対論シミュレーションを行い、合体時に放出される中性子過剰物質の化学的・熱力学的性質を明らかにするとともに、多次元輻射輸送計算に必要な流体背景場モデルを提供する。重力波イベントGW170817によって中性子星の状態方程式モデルに制限が課せられたため、その制限に整合的な状態方程式を採用する。その上で、幾つかの連星パラメータでシミュレーションを行う。また、多次元輻射輸送シミュレーションを行い、GW170817の可視光赤外線対応天体の特徴を再現する二次元モデルを構築する。この結果に基づき、同じような中性子星合体が赤道方向から観測された場合の予想を提供する。さらに、連星の総質量質量比が異なる場合のシミュレーションも行う。これらを総合して、将来の中性子星合体イベントの観測に備える。
（２）J-GEMネットワークによる重力波源の電磁波対応天体の探査観測研究。平成30年後半にはLIGOおよびVirgoの第三回定常観測ランO3が行われる予定であるため、それに向けて年度前半はJ-GEM観測システムの整備に集中する。この時、GW170817での観測経験を活かして観測効率の大幅な向上を目指す。また、大型計算機を導入し、迅速なデータ処理システムの構築を行う。年度後半はO3に対応したフォローアップ観測を重点的に行い、複数の中性子星合体イベントの光赤外線対応天体の検出と追跡を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/European Gravitational Observatory/Max-Plank Instiut(アメリカ合衆国、他)
• [Int'l Joint Research] 中国国家天文台/紫金山天文台(中華人民共和国)
• [Int'l Joint Research] National Institute for Astrophysics(イタリア)
• [Journal Article] Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions (2018)
  • Author(s): Katsuda Satoru、Morii Mikio、Janka Hans-Thomas、Wongwathanarat Annop、Nakamura Ko、Kotake Kei、Mori Koji、M?ller Ewald、Takiwaki Tomoya、Tanaka Masaomi、Tominaga Nozomu、Tsunemi Hiroshi
  • Journal Title: Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions Volume: 856 Pages: 1-18
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aab092
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A surge of light at the birth of a supernova (2018)
  • Author(s): Bersten M. C. , Folatelli G. , Garcia F. , Van Dyk S. D. , Benvenuto O. G. , Orellana M. , Buso V. , Sanchez J. L. , Tanaka M. , Maeda K. , et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 554 Pages: 497-499
  • DOI: 10.1038/nature25151
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A challenge to identify an optical counterpart of the gravitational wave event GW151226 with Hyper Suprime-Cam (2018)
  • Author(s): Utsumi Yousuke , Tominaga Nozomu , Tanaka Masaomi , Morokuma Tomoki , Yoshida Michitoshi , Asakura Yuichiro , Finet Francois , Furusawa Hisanori , Kawabata Koji S , Liu Wei , et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1093/pasj/psx125
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-Ray Light Curve and Spectra of Shock Breakout in a Wind (2018)
  • Author(s): Ohtani Yukari、Suzuki Akihiro、Shigeyama Toshikazu、Tanaka Masaomi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 853 Pages: 52-52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa482
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Properties of Kilonovae from Dynamical and Post-Merger Ejecta of Neutron Star Mergers (2018)
  • Author(s): Tanaka, M., Kato, D., Gaigalas, G., Rynkun, P., Radziute, L., Wanajo, S., Sekiguchi, Y., Nakamura, N., Tanuma, H., Murakami, I., Sakaue, H. A.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 852 Pages: 109-109
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa0cb
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subaru Hyper Suprime-Cam Survey for an optical counterpart of GW170817 (2018)
  • Author(s): Tominaga N.、Tanaka M.、Morokuma T.、Utsumi Y.、Yamaguchi M. S、Yasuda N.、Tanaka M.、Yoshida M.、et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1093/pasj/psy007
  • NAID: 120006537077
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kilonova from post-merger ejecta as an optical and near-Infrared counterpart of GW170817 (2017)
  • Author(s): Tanaka Masaomi , Utsumi Yousuke , Mazzali Paolo A. , Tominaga Nozomu , Yoshida Michitoshi , Sekiguchi Yuichiro , Morokuma Tomoki , Motohara Kentaro , Ohta Kouji , Kawabata Koji S. , et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 69 Pages: 102-102
  • DOI: 10.1093/pasj/psx121
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] J-GEM observations of an electromagnetic counterpart to the neutron star merger GW170817 (2017)
  • Author(s): Utsumi Yousuke , Tanaka Masaomi , Tominaga Nozomu , Yoshida Michitoshi , Barway Sudhanshu , Nagayama Takahiro , Zenko Tetsuya , Aoki Kentaro , Fujiyoshi Takuya , Furusawa Hisanori , et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 69 Pages: 101-101
  • DOI: 10.1093/pasj/psx118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger (2017)
  • Author(s): Pian E. , D-Avanzo P. , Benetti S. , Branchesi M. , Brocato E. , Campana S. , Cappellaro E. , Covino S. , D’Elia V. , Fynbo J. P. U. , et al.
  • Journal Title: Nature Volume: - Pages: 67-70
  • DOI: 10.1038/nature24298
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A hybrid type Ia supernova with an early flash triggered by helium-shell detonation (2017)
  • Author(s): Jiang Ji-an、Shigeyama Toshikazu (他、25人中4番目）
  • Journal Title: Nature Volume: 550 Pages: 80-83
  • DOI: 10.1038/nature23908
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger (2017)
  • Author(s): Abbott B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adams, T., Addesso, P., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Afrough, M., Agarwal, B., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P. 他 Negoro, H. 含む 3656 名
  • Journal Title: Astrophysical Journal Letters Volume: 848 Pages: 1-59
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa91c9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Properties of Neutrino-driven Ejecta from the Remnant of a Binary Neutron Star Merger: Pure Radiation Hydrodynamics Case (2017)
  • Author(s): Fujibayashi Sho、Sekiguchi Yuichiro、Kiuchi Kenta、Shibata Masaru
  • Journal Title: Astrophysical Journal Volume: 846 Pages: 114-114
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Light-curve and spectral properties of ultrastripped core-collapse supernovae leading to binary neutron stars (2017)
  • Author(s): Moriya, Takashi J.; Mazzali, Paolo A.; Tominaga, Nozomu; Hachinger, Stephan; Blinnikov, Sergei I.; Tauris, Thomas M.; Takahashi, Koh; Tanaka, Masaomi; Langer, Norbert; Podsiadlowski, Philipp
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 466 Pages: 2085-2098
  • DOI: 10.1093/mnras/stw3225
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Molecular Gas Dominated 50 kpc Ram Pressure Stripped Tail of the Coma Galaxy D100 (2017)
  • Author(s): Jachym Pavel , Sun Ming , Kenney Jeffrey D. P. , Cortese Luca , Combes Francoise , Yagi Masafumi , Yoshida Michitoshi , Palous Jan , Roediger Elke
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 839 Pages: 114-114
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa6af5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extended Ionized Gas Clouds in the Abell 1367 Cluster (2017)
  • Author(s): Yagi Masafumi , Yoshida Michitoshi , Gavazzi Giuseppe , Komiyama Yutaka , Kashikawa Nobunari , Okamura Sadanori
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 839 Pages: 65-65
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa68e3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling GW170817 based on numerical relativity and its implications (2017)
  • Author(s): Shibata Masaru、Fujibayashi Sho、Hotokezaka Kenta、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Tanaka Masaomi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 96 Pages: 123012-123012
  • DOI: 10.1103/physrevd.96.123012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The radio structure of the peculiar narrow-line Seyfert 1 galaxy candidate J1100+4421 (2017)
  • Author(s): Gabanyi K. E、Frey S.、Paragi Z.、Jarvela E.、Morokuma T.、An T.、Tanaka M.、Tar I.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 473 Pages: 1554-1561
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2449
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] GW170817とは何だったか (2018)
  • Author(s): 吉田道利
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] GW170817: すばる望遠鏡HSCを用いた可視光対応天体の探索 (2018)
  • Author(s): 冨永望、田中雅臣、田中賢幸、吉田道利、諸隈智貴、他
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] GW170817: J-GEMによる可視近赤外線追跡観測 (2018)
  • Author(s): 内海洋輔、田中雅臣、吉田道利、黒田大介、冨永望、他
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] GW170817: 光赤外線対応天体とrプロセス元素合成 (2018)
  • Author(s): 田中雅臣、内海洋輔、冨永望、吉田道利、関口雄一郎、他
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] B03 progress report (1) Follow-up observations of GW170817 (2018)
  • Author(s): Tominaga, N.
  • Organizer: The First Annual Area Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] B03 progress reeport (3) Numerical relativity simulations for GW170817 (2018)
  • Author(s): Sekiguchi, Y.
  • Organizer: The First Annual Area Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GW170817 : Observations and Theoretical modelling (2018)
  • Author(s): Sekiguchi, Y.
  • Organizer: Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time domain astronomy and gravitational wave sources (2018)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: CREST International Symposium on Big Data Application
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current Status of Subaru Telescope and It's Future Plan (2017)
  • Author(s): Yoshida, M.
  • Organizer: WFIRST-Subaru synergistic observation workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Subaru-EAO international partnership (2017)
  • Author(s): Yoshida, M.
  • Organizer: Annual Meeting of Korean Astronomical Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Status Report of Subaru Telescope (2017)
  • Author(s): Yoshida, M.
  • Organizer: Keck Science Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Summary of the research of the A02 sub-project (2017)
  • Author(s): Yoshida, M., Motohara, K., Yanagisawa, K., et al.
  • Organizer: Final Symposium of the Innovative Area on Multi-messenger Study of Gravitational Wave Sources
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Subaru Telescope: Current Status and Future (2017)
  • Author(s): Yoshida, M.
  • Organizer: JSPA Japan-United States Science Collaboration Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current Status and Future Plans of Subaru Telescope (2017)
  • Author(s): Yoshida, M.
  • Organizer: The 48th annual meeting of the Canadian Astronomical Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Search for an optical/NIR counterpart of GW170817 (2017)
  • Author(s): Tominaga, N.
  • Organizer: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Searches for Electromagnetic Counterparts of Gravitational Waves (2017)
  • Author(s): Tominaga, N.
  • Organizer: Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] GW170817: A Modelling Based on Numerical Relativity (2017)
  • Author(s): Sekiguchi, Y.
  • Organizer: Hadron and Nuclear physics workshop 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Kilonova Emission from Compact Binary Mergers: Opacities of Lanthanide-rich and Lanthanide-free Ejecta (2017)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: Electromagnetic Signatures of r-process Nucleosynthesis in Neutron Star Binary Mergers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optical/NIR Follow-up Observations of Neutron Star Mergers (2017)
  • Author(s): Tanaka, M.
  • Organizer: The Physics of Extreme-Gravity Stars
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-GEM Follow-up Observations for gravitational wave events and GW170817 (2017)
  • Author(s): Kawabata, K. S.
  • Organizer: The 27th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Follow-up observations of EM counterparts of GW events by U-Tokyo (2017)
  • Author(s): Sako, S.
  • Organizer: New development in astrophysics through multi-messenger observations of gravitational wave sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamical Mass Ejection from BNS Mergers and r-Process Nucleosynthesis (2017)
  • Author(s): Sekiguchi, Y.
  • Organizer: Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
  • URL: https://gw-genesis.scphys.kyoto-u.ac.jp/ilias/ilias.php?baseClass=ilrepositorygui&reloadpublic=1&cmd=frameset&ref_id=1