重力波源の光赤外線対応天体観測で迫る中性子星合体の元素合成

• 研究領域: 重力波物理学・天文学：創世記
• 研究課題/領域番号: 17H06363
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 吉田 道利 国立天文台, ハワイ観測所, 教授 (90270446)
• 研究分担者: 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), 助教 (90533563)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2019年度)
• 配分額: 205,400千円 (直接経費: 158,000千円、間接経費: 47,400千円); 2019年度: 46,410千円 (直接経費: 35,700千円、間接経費: 10,710千円); 2018年度: 56,160千円 (直接経費: 43,200千円、間接経費: 12,960千円); 2017年度: 29,510千円 (直接経費: 22,700千円、間接経費: 6,810千円)
• キーワード: 光赤外線天文学 / 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] California Institute of Technology/European Gravitational Observatory/Max-Plank Instiut(アメリカ合衆国、他)
• [国際共同研究] 中国国家天文台/紫金山天文台(中華人民共和国)
• [国際共同研究] National Institute for Astrophysics(イタリア)
• [雑誌論文] Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions 巻: 856 ページ: 1-18
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aab092
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] A surge of light at the birth of a supernova (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature 巻: 554 ページ: 497-499
  • DOI: 10.1038/nature25151
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] A challenge to identify an optical counterpart of the gravitational wave event GW151226 with Hyper Suprime-Cam† (2018)
  • 著者名/発表者名: Utsumi Y., Tominaga N., Tanaka M., Morokuma T., Yoshida M., Asakura Y., Finet F., Furusawa H., Kawabata K. S., Liu W., et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1093/pasj/psx125
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] X-Ray Light Curve and Spectra of Shock Breakout in a Wind (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohtani Yukari、Suzuki Akihiro、Shigeyama Toshikazu、Tanaka Masaomi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 853 ページ: 52-52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa482
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Properties of Kilonovae from Dynamical and Post-merger Ejecta of Neutron Star Mergers (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M., Kato, D., Gaigalas, G., Rynkun, P., Radziute, L., Wanajo, S., Sekiguchi, Y., Nakamura, N., Tanuma, H., Murakami, I., Sakaue, H. A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 852 ページ: 109-109
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa0cb
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Subaru Hyper Suprime-Cam Survey for an optical counterpart of GW170817‡ (2018)
  • 著者名/発表者名: Tominaga Nozomu , Tanaka Masaomi , Morokuma Tomoki , Utsumi Yousuke , Yamaguchi Masaki S , Yasuda Naoki , Tanaka Masayuki , Yoshida Michitoshi , Fujiyoshi Takuya , Furusawa Hisanori , et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: 28-28
  • DOI: 10.1093/pasj/psy007
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Kilonova from post-merger ejecta as an optical and near-Infrared counterpart of GW170817 (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Masaomi , Utsumi Yousuke , Mazzali Paolo A. , Tominaga Nozomu , Yoshida Michitoshi , Sekiguchi Yuichiro , Morokuma Tomoki , Motohara Kentaro , Ohta Kouji , Kawabata Koji S. , et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: 102-102
  • DOI: 10.1093/pasj/psx121
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] J-GEM observations of an electromagnetic counterpart to the neutron star merger GW170817 (2017)
  • 著者名/発表者名: Utsumi Yousuke , Tanaka Masaomi , Tominaga Nozomu , Yoshida Michitoshi , Barway Sudhanshu , Nagayama Takahiro , Zenko Tetsuya , Aoki Kentaro , Fujiyoshi Takuya , Furusawa Hisanori , et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: 101-101
  • DOI: 10.1093/pasj/psx118
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger (2017)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature 巻: - ページ: 67-70
  • DOI: 10.1038/nature24298
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] A hybrid type Ia supernova with an early flash triggered by helium-shell detonation (2017)
  • 著者名/発表者名: Jiang Ji-an、Shigeyama Toshikazu (他、25人中4番目）
  • 雑誌名: Nature 巻: 550 ページ: 80-83
  • DOI: 10.1038/nature23908
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letters 巻: 848
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa91c9
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Properties of Neutrino-driven Ejecta from the Remnant of a Binary Neutron Star Merger: Pure Radiation Hydrodynamics Case (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujibayashi Sho、Sekiguchi Yuichiro、Kiuchi Kenta、Shibata Masaru
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 846 ページ: 114-114
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-curve and spectral properties of ultrastripped core-collapse supernovae leading to binary neutron stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Moriya, Takashi J.; Mazzali, Paolo A.; Tominaga, Nozomu; Hachinger, Stephan; Blinnikov, Sergei I.; Tauris, Thomas M.; Takahashi, Koh; Tanaka, Masaomi; Langer, Norbert; Podsiadlowski, Philipp
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 466 ページ: 2085-2098
  • DOI: 10.1093/mnras/stw3225
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular Gas Dominated 50 kpc Ram Pressure Stripped Tail of the Coma Galaxy D100 (2017)
  • 著者名/発表者名: Jachym Pavel , Sun Ming , Kenney Jeffrey D. P. , Cortese Luca , Combes Francoise , Yagi Masafumi , Yoshida Michitoshi , Palous Jan , Roediger Elke
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 839 ページ: 114-114
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa6af5
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Extended Ionized Gas Clouds in the Abell 1367 Cluster (2017)
  • 著者名/発表者名: Yagi Masafumi , Yoshida Michitoshi , Gavazzi Giuseppe , Komiyama Yutaka , Kashikawa Nobunari , Okamura Sadanori
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 839 ページ: 65-65
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa68e3
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Modeling GW170817 based on numerical relativity and its implications (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibata Masaru、Fujibayashi Sho、Hotokezaka Kenta、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Tanaka Masaomi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 96 ページ: 123012-123012
  • DOI: 10.1103/physrevd.96.123012
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] The radio structure of the peculiar narrow-line Seyfert 1 galaxy candidate J1100+4421 (2017)
  • 著者名/発表者名: Gabanyi K. E、Frey S.、Paragi Z.、Jarvela E.、Morokuma T.、An T.、Tanaka M.、Tar I.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 473 ページ: 1554-1561
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2449
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である
• [学会発表] GW170817とは何だったか (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田道利
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] GW170817: すばる望遠鏡HSCを用いた可視光対応天体の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 冨永望、田中雅臣、田中賢幸、吉田道利、諸隈智貴、他
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] GW170817: J-GEMによる可視近赤外線追跡観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 内海洋輔、田中雅臣、吉田道利、黒田大介、冨永望、他
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] GW170817: 光赤外線対応天体とrプロセス元素合成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中雅臣、内海洋輔、冨永望、吉田道利、関口雄一郎、他
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] B03 progress report (1) Follow-up observations of GW170817 (2018)
  • 著者名/発表者名: Tominaga, N.
  • 学会等名: The First Annual Area Symposium
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] B03 progress reeport (3) Numerical relativity simulations for GW170817 (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi, Y.
  • 学会等名: The First Annual Area Symposium
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] GW170817 : Observations and Theoretical modelling (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi, Y.
  • 学会等名: Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Time domain astronomy and gravitational wave sources (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M.
  • 学会等名: CREST International Symposium on Big Data Application
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Current Status of Subaru Telescope and It's Future Plan (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M.
  • 学会等名: WFIRST-Subaru synergistic observation workshop
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Subaru-EAO international partnership (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M.
  • 学会等名: Annual Meeting of Korean Astronomical Society
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Status Report of Subaru Telescope (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M.
  • 学会等名: Keck Science Meeting
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Summary of the research of the A02 sub-project (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M., Motohara, K., Yanagisawa, K., et al.
  • 学会等名: Final Symposium of the Innovative Area on Multi-messenger Study of Gravitational Wave Sources
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Subaru Telescope: Current Status and Future (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M.
  • 学会等名: JSPA Japan-United States Science Collaboration Symposium
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Current Status and Future Plans of Subaru Telescope (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M.
  • 学会等名: The 48th annual meeting of the Canadian Astronomical Society
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Search for an optical/NIR counterpart of GW170817 (2017)
  • 著者名/発表者名: Tominaga, N.
  • 学会等名: Gravitational wave physics and astronomy: Genesis
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Searches for Electromagnetic Counterparts of Gravitational Waves (2017)
  • 著者名/発表者名: Tominaga, N.
  • 学会等名: Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] GW170817: A Modelling Based on Numerical Relativity (2017)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi, Y.
  • 学会等名: Hadron and Nuclear physics workshop 2017
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Kilonova Emission from Compact Binary Mergers: Opacities of Lanthanide-rich and Lanthanide-free Ejecta (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M.
  • 学会等名: Electromagnetic Signatures of r-process Nucleosynthesis in Neutron Star Binary Mergers
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Optical/NIR Follow-up Observations of Neutron Star Mergers (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M.
  • 学会等名: The Physics of Extreme-Gravity Stars
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] J-GEM Follow-up Observations for gravitational wave events and GW170817 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawabata, K. S.
  • 学会等名: The 27th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Follow-up observations of EM counterparts of GW events by U-Tokyo (2017)
  • 著者名/発表者名: Sako, S.
  • 学会等名: New development in astrophysics through multi-messenger observations of gravitational wave sources
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Dynamical Mass Ejection from BNS Mergers and r-Process Nucleosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi, Y.
  • 学会等名: Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [備考] 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