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Computing electromagnetic and gravitational-wave signals from neutron star mergers

Research Project

Project/Area Number 20H00158
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

柴田 大  京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (80252576)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 久徳 浩太郎  京都大学, 理学研究科, 准教授 (30757125)
関口 雄一郎  東邦大学, 理学部, 准教授 (50531779)
仏坂 健太  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50867033)
川口 恭平  東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (60822210)
田中 雅臣  東北大学, 理学研究科, 准教授 (70586429)
井岡 邦仁  京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (80402759)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥44,590,000 (Direct Cost: ¥34,300,000、Indirect Cost: ¥10,290,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
Keywords重力波 / 中性子星 / 中性子星連星 / キロノバ / 突発的天体現象 / 電磁波対応天体 / マルチメッセンジャー天文学 / 元素合成 / 突発的天体 / 中性子星合体 / ガンマ線バースト
Outline of Research at the Start

中性子星連星の合体は、稼働中の重力波望遠鏡に対する確実な重力波源であると同時に、キロノバやガンマ線バーストのような突発的天体の発生源である。放射される重力波や電磁波は、合体現象、中性子星の状態方程式、重元素合成の証拠などの情報を運んでくるが、これらを観測結果から抽出するには正確な理論モデルが不可欠である。本課題では独自の数値コードを用いて、中性子星連星合体の観測結果を予想、解釈するための数値計算を行い、重力波を軸としたマルチメッセンジャー宇宙物理学の成果創出に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

以下の研究を進め、研究成果を論文として発表した。1:質量の小さいブラックホールと中性子星の合体に対する数値相対論計算を行い、合体時の物質放出量が極めて少ないことと誕生する降着円盤の質量がブラックホールの質量にほとんど依存しないことを発見した。2:中性子星連星の合体後に誕生すると考えられる大質量の中性子星あるいはブラックホールと降着円盤からなる系に対する輻射粘性流体計算を系統的に行なった。その結果、粘性過程が質量放出の主過程である場合には、中心天体によらず放出される物質の電子濃度が0.3程度になること、大質量中性子星が存在する場合には、合計で0.1太陽質量ほどの物質が飛び散ること、などを明らかにした。3:降着円盤から粘性過程を経て飛び散る物質内で起きる元素合成では、質量数が50から130程度までの元素が主に合成されることを明らかにした。4:数値相対論による物質放出過程の計算結果と重元素合成計算の結果を取り入れながら、合体後の放出物質中での輻射輸送計算を行い、キロノバの光度曲線とスペクトルを系統的に導出した。5:初期質量が45--65太陽質量の回転する大質量星の重力崩壊に対する一般相対論的輻射流体数値シミュレーションを実行し、ブラックホールが誕生する直前に高速度のアウトフローが発生し、非等方的な超新星爆発が起きることを発見した。6:新たに輻射磁気流体数値シミュレーションコードを開発し、連星中性子星が合体したのちに誕生しうる大質量中性子星からの質量放出過程に対する長時間シミュレーションを初めて実行した。これら以外にも2020年度に重力波観測グループにより発表された連星ブラックホールの合体現象(GW190521)が、ブラックホールと降着円盤からなる系によっても説明可能なことを示唆する論文を発表した。また中性子星連星が合体前に電磁波を放射しうる可能性を調べ論文にまとめた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画が順調に進んだのに加えて、新たな研究の方向性をいくつか開発することができた。例えば、連星ブラックホールからの重力波と思われるものが、別の現象で説明可能なことを示したり、また大質量星の重力崩壊現象が新たな重力波源として有望なことを示したりした。また新たな数値相対論コード(輻射電磁流体力学コード)やキロノバの光度曲線を計算するためのコードを構築した点も当初の予想以上の成果であった。

Strategy for Future Research Activity

これまで通り順調に研究を進めて行きたい。ただし、2020年度は招待講演の予定されていた国際研究会がCOVID19のせいでことごとく中止になってしまったので、今後は研究成果のアピールの仕方を考える必要がある。

Report

(2 results)
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report

Research Products

(15 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Max Planck Institute (AEI)(ドイツ)

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  • [Journal Article] Reducing orbital eccentricity in initial data of black hole?neutron star binaries in the puncture framework2021

    • Author(s)
      Kyutoku Koutarou、Kawaguchi Kyohei、Kiuchi Kenta、Shibata Masaru、Taniguchi Keisuke
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 103 Pages: 023002-023002

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.023002

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  • [Journal Article] Properties of the remnant disk and the dynamical ejecta produced in low-mass black hole-neutron star mergers2021

    • Author(s)
      Hayashi Kota、Kawaguchi Kyohei、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Shibata Masaru
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 103 Pages: 043007-043007

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.043007

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  • [Journal Article] Long-term evolution of a merger-remnant neutron star in general relativistic magnetohydrodynamics: Effect of magnetic winding2021

    • Author(s)
      Shibata Masaru、Fujibayashi Sho、Sekiguchi Yuichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 103 Pages: 043022-043022

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.043022

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  • [Journal Article] Alternative possibility of GW190521: Gravitational waves from high-mass black hole-disk systems2021

    • Author(s)
      Shibata Masaru、Kiuchi Kenta、Fujibayashi Sho、Sekiguchi Yuichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 103 Pages: 063037-063037

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.063037

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  • [Journal Article] Properties of Neutrino Transfer in a Deformed Remnant of a Neutron Star Merger2021

    • Author(s)
      Sumiyoshi Kohsuke、Fujibayashi Sho、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 907 Pages: 92-92

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abce63

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  • [Journal Article] Sub-radian-accuracy gravitational waves from coalescing binary neutron stars in numerical relativity. II. Systematic study on the equation of state, binary mass, and mass ratio2020

    • Author(s)
      Kiuchi, K., Kawaguchi, K., Kyutoku, K., Sekiguchi, Y., & Shibata, M.
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 101 Pages: 084006-084006

    • DOI

      10.1103/physrevd.101.084006

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  • [Journal Article] Mass ejection from disks surrounding a low-mass black hole: Viscous neutrino-radiation hydrodynamics simulation in full general relativity2020

    • Author(s)
      Fujibayashi Sho、Shibata Masaru、Wanajo Shinya、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 101 Pages: 083029-083029

    • DOI

      10.1103/physrevd.101.083029

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  • [Journal Article] Constraint on the Ejecta Mass for Black Hole Neutron Star Merger Event Candidate S190814bv2020

    • Author(s)
      Kawaguchi Kyohei、Shibata Masaru、Tanaka Masaomi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 893 Pages: 153-153

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab8309

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Extreme mass ratio inspirals on the equatorial plane in the adiabatic order2020

    • Author(s)
      Fujita Ryuichi、Shibata Masaru
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102 Pages: 064005-064005

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.064005

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  • [Journal Article] Reanalysis of the binary neutron star mergers GW170817 and GW190425 using numerical-relativity calibrated waveform models2020

    • Author(s)
      Narikawa Tatsuya、Uchikata Nami、Kawaguchi Kyohei、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Shibata Masaru、Tagoshi Hideyuki
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 2 Pages: 043039-043039

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.043039

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Postmerger Mass Ejection of Low-mass Binary Neutron Stars2020

    • Author(s)
      Fujibayashi Sho、Wanajo Shinya、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 901 Pages: 122-122

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abafc2

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Analytic properties of the electromagnetic field of binary compact stars and electromagnetic precursors to gravitational waves2020

    • Author(s)
      Wada Tomoki、Shibata Masaru、Ioka Kunihito
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2020 Pages: 1-24

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa126

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Viscous evolution of a massive disk surrounding stellar-mass black holes in full general relativity2020

    • Author(s)
      Fujibayashi Sho、Shibata Masaru、Wanajo Shinya、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102 Pages: 123014-123014

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.123014

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Remarks] Shibata Masaru' home page

    • URL

      http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~masaru.shibata/indexj.html

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URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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