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初代銀河におけるブラックホールの形成・進化とその観測的兆候

研究課題

研究課題/領域番号 19J00324
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
審査区分 小区分16010:天文学関連
研究機関東北大学

研究代表者

鄭 昇明  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード初期宇宙 / 星形成 / 流体シミュレーション / ブラックホール / 銀河形成 / 宇宙論 / 数値シミュレーション
研究開始時の研究の概要

近年の観測により、宇宙初期に非常に重たいブラックホールが数多く存在することがわかってきた。このブラックホールがどのようにして形成されたかは未だ統一した見解が得られていない。本研究ではこれらのブラックホールの形成・成長の過程を数値流体計算を用いて探る。
これまでの観測により、ブラックホールの質量進化はその母銀河の性質と密接に関わっていることが示唆されている。実際にブラックホールは形成後、母銀河のガスを降着することで質量を増大する。そのため本研究では宇宙初期の銀河(初代銀河)の形成過程に特に着目する。初代銀河の形成とブラックホールの形成・進化のプロセスがどのように関わっているのかを明らかにする。

研究実績の概要

本年度は宇宙初期における星形成、ブラックホール形成過程の理解を深めるためにさまざまな大規模数値シミュレーションをおこなった。宇宙初期は近傍の宇宙に比べて、酸素や炭素などのいわゆる重元素の量が非常に少ないと考えられている。このような低い重元素量の環境下ではガス雲の温度が大きくなることが知られており、実現する星の質量が大きくなると予想されていた。事実、重元素を全く含まない環境下で形成される「初代星」は、典型的な質量が太陽の数百倍とかなり重たくなるということが近年の数値シミュレーションにより示唆されている。しかしながら、重元素が少量含まれている環境下で実現する星質量分布に関しては現状十分に理解されているとは言い難く、更なる研究を要する。
我々は初期宇宙における星形成過程について大規模3次元流体シミュレーションを行うことで、異なる重元素量の下で形成する星の質量分布を計算した。想定した重元素量は太陽系近傍に存在する重元素量(Zsun)の100万分の1から0.1までである。計算の結果、重元素量が増えるにつれて太陽以下の質量を持つ低質量星の数が増大することがわかった。特に1/100000Zsunより重元素量が大きい環境下では、ダストによる熱放射によってガス雲は効率的に冷却される結果、数多くの低質量星が形成された。しかしながら、1/100Zsun以下の環境下では依然として星の質量の多くは大質量星が担っており、星の質量分布は近傍に比べていわゆる「top-heavy」的になることがわかった。一方で、重元素量が太陽系近傍の1/10になると大質量星の数が極端に減少することで近傍で見られるような「Salpeter」型の質量分布が実現することがわかった。この結果は論文に既にまとめられており、出版済みである。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Transition of the initial mass function in the metal-poor environments2021

    • 著者名/発表者名
      Chon Sunmyon、Omukai Kazuyuki、Schneider Raffaella
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 508 号: 3 ページ: 4175-4192

    • DOI

      10.1093/mnras/stab2497

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cosmological DCBH formation sites hostile for their growth2021

    • 著者名/発表者名
      Chon, S., Hosokawa, T., & Omukai, K
    • 雑誌名

      MNRAS

      巻: 502 号: 1 ページ: 700-713

    • DOI

      10.1093/mnras/stab061

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Supermassive star formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds2020

    • 著者名/発表者名
      Chon Sunmyon、Omukai Kazuyuki
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 494 号: 2 ページ: 2851-2860

    • DOI

      10.1093/mnras/staa863

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Forming Pop III binaries in self-gravitating discs: how to keep the orbital angular momentum2019

    • 著者名/発表者名
      Chon Sunmyon、Hosokawa Takashi
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 488 号: 2 ページ: 2658-2672

    • DOI

      10.1093/mnras/stz1824

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 2022年春季天文学会2022

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      低金属量環境下における星の質量分布に対する輻射フィードバックの影響
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 宇宙初期における星質量分布とその進化:CMB温度依存性について2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      2021年秋季天文学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 宇宙初期における星質量分布とその進化:CMB温度依存性について」2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      金属欠乏宇宙2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Impact of the CMB radiation on the initial mass function of metal-poor stars2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      第34回 理論懇シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における巨大ブラックホール形成2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      超巨大ブラックホール研究会:その実態・影響・起源の全貌解明に向けて
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における星の質量関数とその進化 : 金属量依存性について2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      2020年度春季天文学会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Transition of the initial mass function in the metal-poor environments2021

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 低金属量環境下における超大質量ブラックホールの種形成2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      2020年度秋季天文学会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における星の質量関数とその進化:金属量依存性について2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      初代星・初代銀河研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における星の質量関数とその進化:金属量依存性について2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      理論懇シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] SMS formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      大阪大学宇宙進化コロキウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における星の質量関数とその進化:金属量依存性について2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      分子雲から原始星誕生までを追う
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における低金属量環境下での超大質量星形成2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      2020年春期年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Formation of the massive seed BHs in the low-metallicity environment2020

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      First Star VI
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 超巨大ブラックホールの形成と進化2019

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      超巨大ブラックホール研究推進連絡会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 初期宇宙における天体形成:周辺環境とトリガーについて2019

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      2019年秋期年会、
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Growth of massive seed BHs in the early universe2019

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      Cosmic Evolution of Quasars: from the First Light to Local Relics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 初期宇宙における大質量BHの質量成長2019

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      初代星・初代銀河研究会2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 初期宇宙における低金属量環境下での超大質量星形成2019

    • 著者名/発表者名
      鄭昇明
    • 学会等名
      第32回理論懇シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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