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Understanding supernova gravitational waves and establishing protoneutron star asteroseismology

Research Project

Project/Area Number 19KK0354
Research Category

Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research (2020)
National Astronomical Observatory of Japan (2019)

Principal Investigator

祖谷 元  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (70386720)

Project Period (FY) 2020 – 2022
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Keywords宇宙物理 / 重力波 / 超新星爆発 / 中性子星 / 状態方程式
Outline of Research at the Start

重力波の直接観測の成功を受け、今後は観測された重力波から背後の物理を抽出することが重要となる。そのためには、直接的な数値シミュレーションだけでなく、摂動的なアプローチである星震学が非常に強力な方法となる。本研究では、未だ直接観測がなされていない超新星爆発からの重力波に着目し、原始中性子星における星震学の確立を目指す。そこで、世界的な数値シミュレーションの専門家である日本国内の研究者に、応募者を含む星震学の専門家である海外共同研究者を迎えることで、日本国内での共同研究では成し得ない大いなる発展を期待する。

Outline of Annual Research Achievements

原始中性子星における星震学的立場からの線形解析を通して、超新星爆発時に放出される重力波シグナルの物理的な背景を探ることを目的としている。線形解析の背景モデルとして、重力崩壊型超新星爆発の2次元数値シミュレーションにより得られた数値データを用いて原始中性子星モデルを用意する。特に、表面密度を適当に仮定することで、その内側における原始中性子星からの重力波振動数を系統的に調べた。この際、これまでと同様に、星は各時刻で静的な球対称モデルと仮定した。その結果、数値シミュレーションに現れる重力波シグナルは、原始中性子星の基本振動数(コアバウンス後の初期は第1重力モード)に対応することを示した。また、基本振動数の時間進化は、原始中性子星の表面密度の取り方には基本的には依存しないこと、およびこれは基本振動に対応する振動エネルギー密度が星の内部で優位になるということから説明できることを示した。また、同様に第1重力モードの振動数が時間とともに減少する過程が一般的に見られるが、これも重力モードの振動エネルギー密度の分布と、重力モードと物理的に関連するブラント・バイサラ振動数との関係から理解できることがわかった。さらに、先行研究では計量の摂動を無視した線形解析(カウリング近似)を用いた計算であったが、今回、計量の摂動を取り入れた解析を行いこれまでの結果と比較することで、これまでの近似が定性的には正しいこと、および近似の精度に関して定量的な確認を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

従来の計算では無視されていた計量の摂動を取り入れた解析を世界で初めて行うことで、従来の計算結果が定性的には正しいこと、およびその精度を定量的に示すことに成功した。また、従来の原始中性子星モデルにおいてやるべきことは、一通りやり終えたので、来年度に向けて良い足場を作ることができた。

Strategy for Future Research Activity

従来の原始中性子星モデルでは、各時刻で静的球対称と仮定している。一方、実際の原始中性子星では、星外部からの物質降着があるため、動径方向の運動が星内部でも生じている。そこで、まずは球対称ではあるが動径方向の流体の運動を含む原始中性子星モデルを用意し、その上での線形解析を行うことを考えている。そのための摂動方程式の導出、固有値問題を解くための数値コードの作成を行う必要がある。さらに、星外部の物質分布を考慮すべく、境界条件を星表面ではなく衝撃波面で与えることを考えている。背景モデルとして動径方向の運動を取り入れることで、これまでのモデルでは説明ができなかった重力波シグナルの説明ができるかもしれない。

Report

(1 results)
  • 2020 Research-status Report

Research Products

(7 results)

All 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (2 results)

  • [Journal Article] Dimension dependence of numerical simulations on gravitational waves from protoneutron stars2020

    • Author(s)
      Sotani Hajime、Takiwaki Tomoya
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.023028

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Avoided crossing in gravitational wave spectra from protoneutron star2020

    • Author(s)
      Sotani Hajime、Takiwaki Tomoya
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 498 Pages: 35033512-35033512

    • DOI

      10.1093/mnras/staa2597

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Gravitational wave asteroseismology for low-mass neutron stars2020

    • Author(s)
      Sotani Hajime
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.063023

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Accuracy of the relativistic Cowling approximation in protoneutron star asteroseismology2020

    • Author(s)
      Sotani Hajime、Takiwaki Tomoya
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.063025

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Estimating the nuclear saturation parameter via low-mass neutron star asteroseismology2020

    • Author(s)
      Sotani Hajime
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.103021

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 低質量中性子星星震学を用いた原子核飽和パラメータの推定2021

    • Author(s)
      祖谷元
    • Organizer
      日本物理学会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 原始中性子星からの重力波振動数における擬交差と固有振動の振る舞い2020

    • Author(s)
      祖谷元
    • Organizer
      日本物理学会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-02-06   Modified: 2021-12-27  

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