超巨大ブラックホールの起源 ―ブラックホール質量は如何にして決まるか―

• Project/Area Number: 15J08816
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Research Fellow: 櫻井 祐也 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 超巨大ブラックホール / 初期宇宙 / 星団形成 / N体シミュレーション / 宇宙の構造形成 / 星の合体 / 超巨大ブラックホール起源 / ブラックホール物理 / 超臨界降着 / 流体シミュレーション / 輻射輸送 / 星形成 / 星の進化 / 直接崩壊モデル / 超大質量星 / 種ブラックホール形成 / 輻射フィードバック

Outline of Annual Research Achievements

平成２９年度は、初期宇宙の超巨大BH の種となるBH が形成される過程として高密星団中での星の暴走的衝突合体モデルに着目した。この過程による星団内での大質量星形成・種BH 形成の宇宙論的に一貫した研究は少ない。実際にこの暴走的衝突モデルによる種BH 形成が確からしく起きるかどうかを数値シミュレーションで直接的に示した例はKatz et al. (2015) の１例だけであり、モデルの有効性について議論の余地がある。特にKatz et al. (2015) ではミニハロー内で形成される星団にのみ着目していたため、より重い原始冷却ハローで形成される星団において星の暴走的衝突が起きるか否かは明らかになっていない。
そこで本研究では、宇宙の初期密度ゆらぎから原始冷却ハローができ、高密星団ができて大質量星・種BH が形成するまでの過程を、宇宙論的シミュレーションと星団力学のN 体シミュレーションを組み合わせて追った。まず、宇宙論的シミュレーションによって宇宙の初期条件から物質の密度進化を追い、赤方偏移10-20程度で異なる８個の原始冷却ハローを同定した。この原子冷却ハロー内で星団が形成されると想定し、星形成効率と星の質量関数を仮定してN体シミュレーションの初期条件である星の空間分布を生成した。これらの星団それぞれについてN体シミュレーションによる星団力学進化を追ったところ、全ての星団で星の暴走的衝突が確からしく起きることを示し、400-1900太陽質量程度の大質量星・種BH が形成されることを示した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Columbia University
• [Journal Article] Formation of the First Star Clusters and Massive Star Binaries by Fragmentation of Filamentary Primordial Gas Clouds (2018)
  • Author(s): Hirano Shingo、Yoshida Naoki、Sakurai Yuya、Fujii Michiko S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 855 Pages: 17～17
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaaaba
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Massive outflows driven by magnetic effects ? II. Comparison with observations (2018)
  • Author(s): Matsushita Yuko、Sakurai Yuya、Hosokawa Takashi、Machida Masahiro N
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 475 Pages: 391～403
  • DOI: 10.1093/mnras/stx3070
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of accretion on the pre-main-sequence evolution of low-mass stars and brown dwarfs (2017)
  • Author(s): Vorobyov Eduard I.、Elbakyan Vardan、Hosokawa Takashi、Sakurai Yuya、Guedel Manuel、Yorke Harold
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 605 Pages: A77～A77
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201630356
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Massive outflows driven by magnetic effects in star-forming clouds with high mass accretion rates (2017)
  • Author(s): Matsushita Yuko、Machida Masahiro N.、Sakurai Yuya、Hosokawa Takashi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 470 Pages: 1026～1049
  • DOI: 10.1093/mnras/stx893
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of intermediate-mass black holes through runaway collisions in the first star clusters (2017)
  • Author(s): Sakurai Yuya、Yoshida Naoki、Fujii Michiko S.、Hirano Shingo
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 472 Pages: 1677～1684
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2044
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Grand-design spiral arms in a young forming circumstellar disk (2017)
  • Author(s): K. Tomida, M. N. Machida, T. Hosokawa, Y. Sakurai & C. H. Lin
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 835 Pages: 11-18
  • DOI: 10.3847/2041-8213/835/1/L11
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Supermassive star formation via episodic accretion: protostellar disc instability and radiative feedback efficiency (2016)
  • Author(s): Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 459 Pages: 1137-1145
  • DOI: 10.1093/mnras/stw637
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hyper-Eddington mass accretion on to a black hole with super-Eddington luminosity (2016)
  • Author(s): Y. Sakurai, K. Inayoshi & Z. Haiman
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 461 Pages: 4496-4504
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1652
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation of primordial supermassive stars by burst accretion (2015)
  • Author(s): Y. Sakurai, T. Hosokawa, N. Yoshida & H. W. Yorke
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 452 Pages: 755-764
  • DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stv1346
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Runaway stellar collision in primordial star clusters and IMBH formation (2018)
  • Author(s): 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • Organizer: SMBH 研究推進連絡会 第５回ワークショップ
• [Presentation] Runaway stellar collisions and formation of IMBHs in first star clusters (2018)
  • Author(s): 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2017
• [Presentation] 遠方宇宙の星団中での暴走的衝突による中間質量ブラックホー ル形成 (2017)
  • Author(s): 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • Organizer: 日本天文学会2017 年秋季年会
• [Presentation] 初期宇宙で形成する高密星団での暴走的衝突過程と中間質 量ブラックホール形成 (2017)
  • Author(s): 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • Organizer: 天体形成論 ～過去・現在・未来～
• [Presentation] UV feedback in the formation of SMSs (2017)
  • Author(s): Yuya Sakurai
  • Organizer: Titans of the early universe
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 初期宇宙における始原星団内での星の暴走的衝突と中間質量BH 形成 (2017)
  • Author(s): 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • Organizer: 第３０回理論懇シンポジウム
• [Presentation] Hyper-Eddington accretion onto a black hole with super-Eddington luminosity (2016)
  • Author(s): Y. Sakurai, K. Inayoshi & Zoltan Haiman
  • Organizer: Breaking the Limits: Super-Eddington Accretion on Compact Objects
  • Place of Presentation: Arbatax (Italy)
  • Year and Date: 2016-09-19 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Super-Eddington光度下でのブラックホールhyper-Eddington降着流 (2016)
  • Author(s): 櫻井祐也, 稲吉恒平 & Zoltan Haiman
  • Organizer: 日本天文学会2016年秋季年会
  • Place of Presentation: 愛媛大学（愛媛県 松山市）
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [Presentation] Supermassive star formation by episodic accretion: a highly unstable protostellar disk and UV feedback (2016)
  • Author(s): Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • Organizer: First Stars V
  • Place of Presentation: Heidelberg (Germany)
  • Year and Date: 2016-08-01 – 2016-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Episodic accretion in supermassive star formation and formation of SMBH seeds in the early universe (2016)
  • Author(s): Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • Organizer: EWASS 2016
  • Place of Presentation: Athens (Greece)
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 間欠的質量降着による超大質量星形成 －星周円盤の不安定性と輻射フィードバック－ (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • Organizer: 第２８回理論懇シンポジウム 「宇宙における天体形成から生命まで」
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府 吹田市）
  • Year and Date: 2015-12-23 – 2015-12-25
• [Presentation] Supermassive star formation via episodic accretion: protostellar disk instability and radiative feedback efficiency (2015)
  • Author(s): Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • Organizer: Cosmology and first light
  • Place of Presentation: Paris (France)
  • Year and Date: 2015-12-07 – 2015-12-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超大質量星形成の降着段階における間欠的降着と輻射フィードバックの影響 (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2015b
  • Place of Presentation: 草津セミナーハウス（群馬県 草津町）
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-12-02
• [Presentation] 間欠的質量降着による超大質量星形成と輻射フィードバック (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会 第3回ワークショップ
  • Place of Presentation: 甲南大学（兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-18
• [Presentation] 始原ガス中での超大質量星形成と間欠的降着：輻射フィードバックの影響 (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • Organizer: 星形成の諸階層-銀河から惑星まで-
  • Place of Presentation: フォレスト箱根（神奈川県 箱根町）
  • Year and Date: 2015-09-14 – 2015-09-16
• [Presentation] Supermassive stars forming with episodic accretion in the early universe (2015)
  • Author(s): 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • Organizer: 日本天文学会2015年秋季年会
  • Place of Presentation: 甲南大学（兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-09-09 – 2015-09-11
• [Presentation] Evolution of massive protostars and protostellar outflows in numerical simulations (2015)
  • Author(s): Y. Matsushita, Y. Sakurai, M. N. Machida & T. Hosokawa
  • Organizer: Star Formation Workshop 2015
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都 三鷹市）
  • Year and Date: 2015-06-29 – 2015-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Supermassive star formation in the early universe with burst accretion for formation of SMBH seeds (2015)
  • Author(s): Y. Sakurai, T. Hosokawa, N. Yoshida & H. W. Yorke
  • Organizer: EWASS 2015
  • Place of Presentation: La Laguna (Spain)
  • Year and Date: 2015-06-22 – 2015-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Supermassive star formation in the early universe with burst accretion for formation of SMBH seeds (2015)
  • Author(s): Y. Sakurai, T. Hosokawa, N. Yoshida & H. W. Yorke
  • Organizer: First stars, galaxies, and black holes: Now and Then
  • Place of Presentation: Groningen (Netherlands)
  • Year and Date: 2015-06-15 – 2015-06-19
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Yuya Sakurai
  • URL: https://sites.google.com/view/ysakurai0u0research/home