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Theoretical Study of High-Energy Multimessengers from PeV Sources

Research Project

Project/Area Number 18H01215
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

井岡 邦仁  京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (80402759)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2018: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Keywords高エネルギー天体 / マルチメッセンジャー / 宇宙線 / ブラックホール / ジェット
Outline of Annual Research Achievements

PeV天体の一つの候補にガンマ線バーストのジェットがある。最近、重力波イベントGW170817の発見によって、ついに本格的なマルチメッセンジャー天文学が始まり、連星中性子星の合体によってショートガンマ線バーストのジェットが放出されたことがほぼ明らかになった。我々もこの大きな進展に対し様々な貢献をした。
1. 我々は、観測されたガンマ線バーストが大変暗かったので、ジェットを横から見ている off-axis モデルを提唱し、現在では標準的な理解となっている。しかし、スペクトルが off-axis ジェットでは単純には説明できない。ところが、残光で示唆されているような構造をもったジェットを考えると、スペクトルまで含めて off-axis ジェットで説明できることが分かった。
2. 連星中性子星合体時に飛散する物質中をジェットが伝搬できるかどうか、解析的、数値的に調べた。得られた解析解は、飛散物質が膨張しているという効果を初めて入れたことによって、新しい項を含むことが分かった。得られたモデルをGW170817に適用し、(観測的には暗かった)ジェットのエネルギーが通常のガンマ線バーストと同程度である(つまり off-axis モデルを支持する)ことを示し、合体からジェットが出るまでの遅延時間に制限を加えた。
3. ジェットが飛散物質を通過する間に、ジェットが飛散物質とぶつかることで高温のコクーンが生成される。コクーンからの放射がジェットに入ると、逆コンプトン散乱されることで、高エネルギーガンマ線が生成される。この高エネルギー放射を計算し、将来観測可能であることを示した。
4. 速度が準相対論的な衝撃波が、星風をブレークアウトするときのスペクトルを計算した。ここで、光子が衝撃波から放射されて逃げる効果を初めて取り入れた。この効果により、観測される温度が低くなることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マルチメッセンジャーの観測が進み、当初考えていたことを超える予想外のことも起こっているが、それらにしっかり対応して、本テーマに沿った成果を上げている。

Strategy for Future Research Activity

PeV天体の一つの候補にガンマ線バーストのジェットがある。最近、重力波イベントGW170817の観測によって連星中性子星の合体とショートガンマ線バーストについての知見が豊富に得られるようになってきた。特に、off-axis 残光によってジェットが構造を持っていることが示唆されているが、すべてのジェット構造が調べられていない。残光の光度曲線から逆にジェットの構造を求める方法を開発し、どのようなジェットの構造が観測と整合的か調べる。また、ジェットが飛散物質をどのように通過するかという問題について、飛散物質の膨張とジェットのコリメーションの両方を考慮に入れた解析解を初めて求める。

また、高速電波バースト(Fast Radio Burst; FRB)についても、新しい観測が出始めているので、理論モデルを構築する。特に、最近見つかった周期的に繰り返すFRBの起源、そして、銀河系内で見つかったマグネターバーストからのFRBについて考察する。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(33 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 5 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 10 results) Book (1 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] テルアビブ大学(イスラエル)

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  • [Journal Article] The spectrum of a fast shock breakout from a stellar wind2019

    • Author(s)
      Ioka Kunihito , Levinson Amir , Nakar Ehud
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 484 Pages: 3502-3509

    • DOI

      10.1093/mnras/stz270

    • NAID

      120006770372

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    • Author(s)
      K, Ioka and T. nakamura
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 487 Pages: 4884-4889

    • DOI

      10.1093/mnras/stz1650

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  • [Journal Article] Jet Propagation in Neutron Star Mergers and GW1708172019

    • Author(s)
      Hamidani Hamid、Kiuchi Kenta、Ioka Kunihito
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 1 Pages: 1-1

    • DOI

      10.1093/mnras/stz3231

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Upscattered Cocoon Emission in Short Gamma-Ray Bursts as High-energy Gamma-Ray Counterparts to Gravitational Waves2019

    • Author(s)
      Kimura Shigeo S.、Murase Kohta、Ioka Kunihito、Kisaka Shota、Fang Ke、Meszaros Peter
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 887

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ab59e1

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  • [Journal Article] Can an off-axis gamma-ray burst jet in GW170817 explain all the electromagnetic counterparts?2018

    • Author(s)
      Ioka Kunihito , Nakamura Takashi
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2018 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1093/ptep/pty036

    • NAID

      120006591359

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  • [Journal Article] Is the Macronova in GW170817 Powered by the Central Engine?2018

    • Author(s)
      Matsumoto Tatsuya , Ioka Kunihito , Kisaka Shota , Nakar Ehud
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 861 Pages: 55-55

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aac4a8

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  • [Journal Article] First ALMA Light Curve Constrains Refreshed Reverse Shocks and Jet Magnetization in GRB 161219B2018

    • Author(s)
      Laskar Tanmoy、Alexander Kate D.、Berger Edo、Guidorzi Cristiano、Margutti Raffaella、Fong Wen-fai、Kilpatrick Charles D.、Milne Peter、Drout Maria R.、Mundell C. G.、Kobayashi Shiho、Lunnan Ragnhild、Duran Rodolfo Barniol、Menten Karl M.、Ioka Kunihito、Williams Peter K. G.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 862 Pages: 94-94

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aacbcc

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Scattered Short Gamma-Ray Bursts as Electromagnetic Counterparts to Gravitational Waves and Implications of GW170817 and GRB 170817A2018

    • Author(s)
      Kisaka Shota、Ioka Kunihito、Kashiyama Kazumi、Nakamura Takashi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 867 Pages: 39-39

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aae30a

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Transejecta high-energy neutrino emission from binary neutron star mergers2018

    • Author(s)
      Kimura Shigeo S. , Murase Kohta , Bartos Imre , Ioka Kunihito , Heng Ik Siong , Mszros Peter
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 98 Pages: 043020-043020

    • DOI

      10.1103/physrevd.98.043020

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  • [Presentation] Spectral Puzzle of the Off-Axis Gamma-Ray Burst in GW1708172019

    • Author(s)
      井岡邦仁、中村卓史
    • Organizer
      物理学会
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  • [Presentation] A Gamma-Ray Burst Jet in Electromagnetic Counterparts to Gravitational Waves2019

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  • [Presentation] 重力波とSMBH2019

    • Author(s)
      井岡邦仁
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      「超巨大ブラックホール研究推進連絡会」第6回ワークショップ
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  • [Presentation] 重力波とマルチメッセンジャー天文学2019

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      井岡邦仁
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      基研研究会 素粒子物理学の進展2019
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    • Invited
  • [Presentation] Electromagnetic Counterparts to Gravitational Waves2019

    • Author(s)
      Kunihito Ioka
    • Organizer
      APPC 2019 14th ASIA-PACIFIC PHYSICS CONFERENCE
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    • Author(s)
      井岡邦仁
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      物理学会
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  • [Presentation] Scattered Short Gamma-Ray Bursts as Electromagnetic Counterparts to Gravitational Waves and Implications of GW170817 and GRB 170817A2018

    • Author(s)
      木坂将大、井岡邦仁、樫山和己、中村卓史
    • Organizer
      物理学会
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  • [Presentation] Jet in Electromagnetic Counterparts to GW170817?2018

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      Kunihito Ioka
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      Kunihito Ioka
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  • [Presentation] Jet in Electromagnetic Counterparts to GW1708172018

    • Author(s)
      井岡邦仁
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      高エネルギー天体現象の多様性
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  • [Presentation] Electromagnetic Counterparts to Gravitational Waves and Gamma-Ray Burst Jets2018

    • Author(s)
      Kunihito Ioka
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      Second international workshop: Particles, Gravitation and the Universe
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  • [Presentation] The Spectrum of a Fast Shock Breakout from a Stellar Wind2018

    • Author(s)
      Kunihito Ioka
    • Organizer
      10th NAOJ DTA symposium: Stellar deaths and their diversity
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  • [Presentation] Spectral puzzle of the Off-Axis Gamma-Ray Burst in GW1708172018

    • Author(s)
      Kunihito Ioka
    • Organizer
      Aspen Winter Conference: Gravitational-Wave Astrophysics with Populations
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 重力波観測レビューと HiZ-GUNDAM で目指すサイエンス2018

    • Author(s)
      井岡邦仁
    • Organizer
      HiZ-GUNDAM 連絡会
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    • Invited
  • [Book] 宇宙物理学ハンドブック2020

    • Author(s)
      高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸
    • Total Pages
      912
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254131277
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  • [Remarks] 井岡邦仁のホームページ

    • URL

      https://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~kunihito.ioka/

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  • [Remarks] google scholar

    • URL

      https://scholar.google.com/citations?user=DcPm4A8AAAAJ&hl=en

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  • [Remarks] 井岡邦仁のホームページ

    • URL

      http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~kunihito.ioka/

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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