多次元一般相対論的輻射流体力学シミュレーションによる超新星爆発の研究

• 研究課題/領域番号: 16H03986
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 山田 章一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80251403)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2018年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2017年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2016年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 重力理論 / ダークエネルギー / 宇宙論 / インフレーション / 素粒子統一理論 / 超新星 / 重力崩壊 / ニュートリノ輸送 / 一般相対論 / 重力崩壊崩壊

研究成果の概要

本研究では、大質量星がその進化の果てに起こすコアの重力崩壊とそれが引き起こす超新星爆発ならびに中性子星またはブラックホールの形成を、第一原理的シミュレーションにより定量的に研究することを目指し、問題の定式化、コードの開発とテスト、京コンピューターにおけるプロダクティブランを行なった。ニュートリノ輸送をフルに相対論的に扱うボルツマンソルバーを用いた軸対称２次元でのシミュレーションに世界で初めて成功し、爆発するモデルを構築するとともに、自転の影響も調べた。この計算ではニュートン重力を用いていたので、アインシュタイン方程式を数値的に解くコードを従来とは異なり、球座標上で開発することにも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ブラックホールの合体から放出された重力波の直接検出や巨大ブラックホールの影の電波観測などが近年立て続けに発表され、専門家非専門家を問わずブラックホールに関する興味が高まっている。本研究は、中でも重力波がその存在を明らかにした数10太陽質量のブラックホールがどのような親星からどのようにして形成されたかを明らかにすることを目指して行っているものであり、その社会的、学術的意義は極めて高いと言える。

研究成果

• [国際共同研究] Oxford University(英国)
• [国際共同研究] Princeton University(米国)
• [国際共同研究] Bonn University(ドイツ)
• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] カリフォルニア工科大学(米国)
• [雑誌論文] The evolution towards electron capture supernovae: the flame propagation in collapsing oxygen-neon cores (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Koh、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi、Umeda Hideyuki、Yoshida Takashi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 871 号: 2 ページ: 153-153
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaf8a8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Linear Analysis of the Shock Instability in Core-collapse Supernovae: Influences of Acoustic Power and Fluctuations of Neutrino Luminosity (2019)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Ken’ichi , Takahashi Kazuya , Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 874 号: 1 ページ: 28-28
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab08a2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparing Treatments of Weak Reactions with Nuclei in Simulations of Core-collapse Supernovae (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagakura Hiroki、Furusawa Shun、Togashi Hajime、Richers Sherwood、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 240 号: 2 ページ: 38-38
  • DOI: 10.3847/1538-4365/aafac9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the Neutrino Distributions in Phase Space for the Rotating Core-collapse Supernova Simulated with a Boltzmann-neutrino-radiation-hydrodynamics Code (2019)
  • 著者名/発表者名: Harada Akira、Nagakura Hiroki、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 872 号: 2 ページ: 181-181
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Rotation and Magnetic Field on the Revival of a Stalled Shock in Supernova Explosions (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujisawa Kotaro , Okawa Hirotada , Yamamoto Yu , Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 872 号: 2 ページ: 155-155
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaffdd
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA collaboration
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 1 ページ: 35-40
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0658-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comprehensive Study of Ejecta-companion Interaction for Core-collapse Supernovae in Massive Binaries (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirai Ryosuke , Podsiadlowski Philipp , Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 号: 2 ページ: 119-119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad6a0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Determining the stiffness of the equation of state using low T/W dynamical instabilities in differentially rotating stars (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Saijo
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 号: 2 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.024003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO and B-DECIGO (2018)
  • 著者名/発表者名: Seiji Kawamura et al.
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics D 巻: 27 号: 12 ページ: 1845001-1845001
  • DOI: 10.1142/s0218271818450013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Linear stability analysis of collective neutrino oscillations without spurious modes (2018)
  • 著者名/発表者名: Morinaga Taiki , Yamada Shoichi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.023024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulations of Core-collapse Supernovae in Spatial Axisymmetry with Full Boltzmann Neutrino Transport (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagakura Hiroki、Iwakami Wakana、Furusawa Shun、Okawa Hirotada、Harada Akira、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi、Matsufuru Hideo、Imakura Akira
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 854 号: 2 ページ: 136-136
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaac29
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA (2018)
  • 著者名/発表者名: B. P. Abbott et al.
  • 雑誌名: Living Reviews in Relativity 巻: 21 号: 1 ページ: 1-57
  • DOI: 10.1007/s41114-018-0012-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory (2017)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration、ほか
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2018 号: 1 ページ: 1-23
  • DOI: 10.1093/ptep/ptx180
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 2.Systematic Analysis of the Effects of Mode Conversion on Thermal Radiation from Neutron Stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Yatabe, Shoichi Yamada.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 850 号: 2 ページ: 185-185
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa97d8
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Detailed Comparison of Multidimensional Boltzmann Neutrino Transport Methods in Core-collapse Supernovae (2017)
  • 著者名/発表者名: Richers Sherwood、Nagakura Hiroki、Ott Christian D.、Dolence Joshua、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 847 号: 2 ページ: 133-133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8bb2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neutrino Emissions in All Flavors up to the Pre-bounce of Massive Stars and the Possibility of Their Detections (2017)
  • 著者名/発表者名: Kato Chinami、Nagakura Hiroki、Furusawa Shun、Takahashi Koh、Umeda Hideyuki、Yoshida Takashi、Ishidoshiro Koji、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 848 号: 1 ページ: 48-48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8b72
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the role of corotation radius in the low T/W dynamical instability of differentially rotating stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin'ichirou Yoshida, Motoyuki Saijo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 466 号: 1 ページ: 600-612
  • DOI: 10.1093/mnras/stw3064
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Parametric Study of the Acoustic Mechanism for Core-Collapse Supernovae (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, A., Nagakura, H., Iwakami, W., Yamada, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 839 号: 1 ページ: 28-28
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa6896
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supernova equations of state including full nuclear ensemble with in-medium effects (2017)
  • 著者名/発表者名: Shun Furusawa, Kohsuke Sumiyoshi, Shoichi Yamada, Hideyuki Suzuki.
  • 雑誌名: Nucl. Phys. A 巻: 957 ページ: 188-207
  • DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2016.09.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Intermediate r-process in Core-collapse Supernovae Driven by the Magneto-rotational Instability (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, N.; Sawai, H.; Takiwaki, T.; Yamada, S.; Thielemann, F.-K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 836 号: 2 ページ: L21-L21
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa5dee
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Links between the shock instability in core-collapse supernovae and asymmetric accretions of envelopes (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Takahashi, Wakana Iwakami, Yu Yamamoto, Shoichi Yamada.
  • 雑誌名: Astrophys. J. 巻: 831 号: 1 ページ: 75-75
  • DOI: 10.3847/0004-637x/831/1/75
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rotational equilibria by Lagrangian variational principle: toward multi-dimensional stellar evolutions (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasutake, N., Fujisawa, K. and Yamada, S.
  • 雑誌名: Monthly Notice of Royal Astronomical Society 巻: 463 号: 4 ページ: 3705-3724
  • DOI: 10.1093/mnras/stw2216
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dependence of weak interaction rates on the nuclear composition during Stellar Core Collapse (2016)
  • 著者名/発表者名: Furusawa, S., Nagakura, H., Sumiyoshi, K., Kato, C. and Yamada, S.
  • 雑誌名: Physical Review C 巻: 95 号: 2 ページ: 025809-025809
  • DOI: 10.1103/physrevc.95.025809
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 大質量星の一生 その多次元的側面 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田章一
  • 学会等名: 宇宙の物質進化と元素合成 ― 30 年の歩みとこれから ―
  • 招待講演
• [学会発表] Core-collapse Supernova Simulations with the Boltzmann-neutrino-transport (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Harada
  • 学会等名: RIKEN-RESCEU Joint Seminar
• [学会発表] ボルツマン輻射輸送による超新星シミュレーションの核物質状態方程式依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 日本天文学会2019春季年会
• [学会発表] Recent Understanding of Low T/W Dynamical Instability in Differentially Rotating Stars (2018)
  • 著者名/発表者名: 西條統之
  • 学会等名: Eighth East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Rotating Core-Collapse Supernova Dynamics and Neutrino Distributions by Full Boltzmann Neutrino Transport (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会2018
• [学会発表] The Neutrino Distributions in the Rotating Core-Collapse Superanova (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Harada, S. Yamada, W. Iwakami, H. Okawa, H. Nagakura, K. Sumiyoshi, S. Furusawa, H. Matsufuru, H.
  • 学会等名: Deciphering multi-dimensional nature of core-collapse Supernovae via Gravitational-Wave and neutrino signatures
• [学会発表] ボルツマン輻射輸送による超新星シミュレーションの核物質状態方程式依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 第31回理論天文学宇宙物理学懇談会シンポジウム「宇宙物理の標準理論：未来へ向けての再考」
• [学会発表] Corotation Resonence as Low T/W Dynamical Instability in Differentially Rotating Stars (2018)
  • 著者名/発表者名: Motoyuki Saijo
  • 学会等名: Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
• [学会発表] The Neutrino Distributions in the Rotating Core-Collapse Superanova (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada, A., Yamada, S., Iwakami, W., Okawa, H., Nagakura, H., Sumiyoshi, K., Furusawa, S., Matsufuru, H.
  • 学会等名: Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
  • 国際学会
• [学会発表] ボルツマン輻射輸送計算による回転星の超新星爆発II (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 日本天文学会2018年春季年会
• [学会発表] 相対論的回転星のr-モード不安定性:質量流束四重極モーメントの重力波輻射 反作用力 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西條 統之
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Dynamics of relativistic r-mode instability in rotating relativistic stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Motoyuki Saijo
  • 学会等名: 27th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
• [学会発表] The Rotating Core-Collapse Supernova Simulation with Full Boltzmann Neutrino Transport (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, A., Iwakami, W., Okawa, H., Yamada, S., Nagakura, H., Sumiyoshi, K., Matsufuru, H., Imakura, A.
  • 学会等名: Workshop on the Progenitor-Supernova-Remnant Connection
  • 国際学会
• [学会発表] ボルツマン輻射輸送計算による回転星の超新星爆発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 第30回理論天文学宇宙物理学懇談会シンポジウム「星の物理の新地平」
• [学会発表] ボルツマン輻射輸送計算による回転星の超新星爆発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 日本天文学会2017年秋季年会
• [学会発表] Toward general relativistic supernovae simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: The Third ALPS Symposium on Photon Science
  • 発表場所: 東京大学
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Normal Mode Analysis of Low T/W Dynamical Instability in Differentially Rotating Stars (2016)
  • 著者名/発表者名: 西條統之
  • 学会等名: the New development in astrophysics through multimessenger observations of gravitational wave sources
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2016-12-26
  • 国際学会
• [学会発表] 回転星の重力崩壊におけるρ-Ye関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 原田了
  • 学会等名: 2016年度 第29回理論懇シンポジウム「重力が織りなす宇宙の諸階層」
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2016-12-20
• [図書] 超新星 (新天文学ライブラリー4) (2016)
  • 著者名/発表者名: 山田章一
  • 総ページ数: 279
  • 出版者: 日本評論社
• [備考] 早稲田大学高エネルギー天体物理学研究室 山田研究室
  • URL: http://www.heap.phys.waseda.ac.jp
• [学会・シンポジウム開催] Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations (2018)