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―

• 研究課題/領域番号: 15J08816
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(理論)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 櫻井 祐也 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Columbia University(米国)
• [雑誌論文] Massive outflows driven by magnetic effects in star-forming clouds with high mass accretion rates (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsushita, Yuko; Machida, Masahiro N.; Sakurai, Yuya; Hosokawa, Takashi
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 475 号: 1 ページ: 1026-1049
  • DOI: 10.1093/mnras/stx893
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of the First Star Clusters and Massive Star Binaries by Fragmentation of Filamentary Primordial Gas Clouds (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirano Shingo , Yoshida Naoki , Sakurai Yuya , Fujii Michiko S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 855 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaaaba
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Massive outflows driven by magnetic effects - II. Comparison with observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsushita, Yuko; Sakurai, Yuya; Hosokawa, Takashi; Machida, Masahiro N.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 475 号: 1 ページ: 391-403
  • DOI: 10.1093/mnras/stx3070
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of accretion on the pre-main-sequence evolution of low-mass stars and brown dwarfs (2017)
  • 著者名/発表者名: Vorobyov Eduard I.、Elbakyan Vardan、Hosokawa Takashi、Sakurai Yuya、Guedel Manuel、Yorke Harold
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 605 ページ: A77-A77
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201630356
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of intermediate-mass black holes through runaway collisions in the first star clusters (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Yuya , Yoshida Naoki , Fujii Michiko S. , Hirano Shingo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 472 号: 2 ページ: 1677-1684
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2044
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Grand-design Spiral Arms in a Young Forming Circumstellar Disk (2017)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida, Masahiro N. Machida, Takashi Hosokawa, Yuya Sakurai, Chia Hui Lin
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 835 号: 1 ページ: 11-18
  • DOI: 10.3847/2041-8213/835/1/l11
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Supermassive star formation via episodic accretion: protostellar disc instability and radiative feedback efficiency (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakurai,Y., Vorobyov,E.I., Hosokawa,T., Yoshida,N., Omukai,K., & Yorke,H.W.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 459 号: 2 ページ: 1137-1145
  • DOI: 10.1093/mnras/stw637
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hyper-Eddington mass accretion on to a black hole with super-Eddington luminosity (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, K. Inayoshi & Z. Haiman
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 461 号: 4 ページ: 4496-4504
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1652
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation of primordial supermassive stars by burst accretion (2015)
  • 著者名/発表者名: Sakurai, Y., Hosokawa, T., Yoshida, N., & Yorke, H.W.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 452 号: 1 ページ: 755-764
  • DOI: 10.1093/mnras/stv1346
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Runaway stellar collision in primordial star clusters and IMBH formation (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • 学会等名: SMBH 研究推進連絡会 第５回ワークショップ
• [学会発表] Runaway stellar collisions and formation of IMBHs in first star clusters (2018)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • 学会等名: 初代星・初代銀河研究会2017
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • 学会等名: 日本天文学会2017 年秋季年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • 学会等名: 天体形成論 ～過去・現在・未来～
• [学会発表] UV feedback in the formation of SMSs (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuya Sakurai
  • 学会等名: Titans of the early universe
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也、吉田直紀、藤井通子、平野信吾
  • 学会等名: 第３０回理論懇シンポジウム
• [学会発表] Hyper-Eddington accretion onto a black hole with super-Eddington luminosity (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, K. Inayoshi & Zoltan Haiman
  • 学会等名: Breaking the Limits: Super-Eddington Accretion on Compact Objects
  • 発表場所: Arbatax (Italy)
  • 年月日: 2016-09-19
  • 国際学会
• [学会発表] Super-Eddington光度下でのブラックホールhyper-Eddington降着流 (2016)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, 稲吉恒平 & Zoltan Haiman
  • 学会等名: 日本天文学会2016年秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学（愛媛県 松山市）
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] Supermassive star formation by episodic accretion: a highly unstable protostellar disk and UV feedback (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • 学会等名: First Stars V
  • 発表場所: Heidelberg (Germany)
  • 年月日: 2016-08-01
  • 国際学会
• [学会発表] Episodic accretion in supermassive star formation and formation of SMBH seeds in the early universe (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • 学会等名: EWASS 2016
  • 発表場所: Athens (Greece)
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • 学会等名: 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」
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府 吹田市）
  • 年月日: 2015-12-23
• [学会発表] Supermassive star formation via episodic accretion: protostellar disk instability and radiative feedback efficiency (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, E. I. Vorobyov, T. Hosokawa, N. Yoshida, K. Omukai & H. W. Yorke
  • 学会等名: Cosmology and first light
  • 発表場所: Paris (France)
  • 年月日: 2015-12-07
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • 学会等名: 初代星・初代銀河研究会2015b
  • 発表場所: 草津セミナーハウス（群馬県 草津町）
  • 年月日: 2015-11-30
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • 学会等名: 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
  • 発表場所: 甲南大学（兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2015-10-17
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • 学会等名: 星形成の諸階層-銀河から惑星まで-
  • 発表場所: フォレスト箱根（神奈川県 箱根町）
  • 年月日: 2015-09-14
• [学会発表] Supermassive stars forming with episodic accretion in the early universe (2015)
  • 著者名/発表者名: 櫻井祐也, E. I. Vorobyov, 細川隆史, 吉田直紀, 大向一行 & H. W. Yorke
  • 学会等名: 日本天文学会2015年秋季年会
  • 発表場所: 甲南大学（兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2015-09-09
• [学会発表] Evolution of massive protostars and protostellar outflows in numerical simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsushita, Y. Sakurai, M. N. Machida & T. Hosokawa
  • 学会等名: Star Formation Workshop 2015
  • 発表場所: 国立天文台（東京都 三鷹市）
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Supermassive star formation in the early universe with burst accretion for formation of SMBH seeds (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Hosokawa, N. Yoshida & H. W. Yorke
  • 学会等名: EWASS 2015
  • 発表場所: La Laguna (Spain)
  • 年月日: 2015-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Supermassive star formation in the early universe with burst accretion for formation of SMBH seeds (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakurai, T. Hosokawa, N. Yoshida & H. W. Yorke
  • 学会等名: First stars, galaxies, and black holes: Now and Then
  • 発表場所: Groningen (Netherlands)
  • 年月日: 2015-06-15
  • 国際学会
• [備考] Yuya Sakurai
  • URL: https://sites.google.com/view/ysakurai0u0research/home