宇宙の初代星の超新星爆発の特性と重力波源となるブラックホール生成との関連を探る

• 研究課題/領域番号: 20K04024
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野本 憲一 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (90110676)
• 研究分担者: 鈴木 知治 中部大学, 工学部, 教授 (20280935)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 初代星 / 超新星 / ブラックホール / 重力波 / 元素の起源

研究開始時の研究の概要

宇宙の初代星がどのような質量関数を持ち、どのような進化・超新星爆発・元素合成をしたかを解明することは、現在の天文学の焦点の一つである。本研究では、太陽質量の80-140倍という大質量を持つ初代星が、重力波で観測されている質量の大きいブラックホールと、高度に明るく輝く新しいタイプの超新星の源に関係しているという作業仮説を立て、その検証を試みる。この質量範囲の星が持つ、電子対生成によって脈動を起こしつつ重力崩壊するという進化上の特性に着目し、ブラックホールの質量と超新星爆発に伴う元素合成の理論値を求め、観測値と比較することによって、初代星の質量と進化を探る。

研究成果の概要

本研究では、重力波で観測されている質量の大きいブラックホールと高度に明るく輝く新種の超新星の親星の性質を明らかにし、初代星の質量と進化を解明することを目的とした。電子対生成によって脈動を起こしつつ重力崩壊する80-140太陽質量(Msun)の星の進化と爆発の計算により下記のような点を明らかにした。1) この大質量星は脈動によって星周物質を形成する。2) ブラックホールの上限質量は約50 Msun となり、重力波観測による推定と一例を除くと矛盾しない結果となる。3) ブラックホールの形成に伴う超新星のモデルから、Si/O, Ca/O 比が親星の質量の推定に重要であることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々自身の起源、将来を解明する上で、この宇宙がどのように誕生し進化してきたかを明らかにすることは、学術的にも社会的にも最も重要な課題の一つである。多くの観測が宇宙はビッグバンとして始まったことを示しているが、ビッグバン後にどのような初代星が形成されたかは明らかになっていない。本研究では、最近の重力波の観測から得られたブラックホールの質量を手がかりに、ブラックホールの形成に伴う特異な超新星のモデルを計算し、ブラックホールと超新星の親星の質量範囲を特定することができた。それにより、初代星の有力候補とその質量範囲を推定することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Evolution and Final Fate of Solar Metallicity Stars in the Mass Range 7-15 Msun. I. The Transition from Asymptotic Giant Branch to Super-AGB Stars, Electron Capture, and Core-collapse Supernova Progenitors (2024)
  • 著者名/発表者名: Limongi Marco、Roberti Lorenzo、Chieffi Alessandro、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 270 号: 2 ページ: 29-29
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ad12c1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] "EMPRESS. XIII. Chemical Enrichment of Young Galaxies Near and Far at z = 0 and 4-10: Fe/O, Ar/O, S/O, and N/O Measurements with a Comparison of Chemical Evolution Models" (2024)
  • 著者名/発表者名: "Watanabe, Kuria; Ouchi, Masami; Nakajima, Kimihiko; Isobe, Yuki; Tominaga, Nozomu; Suzuki, Akihiro; Ishigaki, Miho N.; Nomoto, Ken'ichi; Takahashi, Koh; Harikane, Yuichi; Hatano, Shun; Kusakabe, Haruka; Moriya, Takashi J.; Nishigaki, Moka; Ono, Yoshiaki; Onodera, Masato; Sugahara, Yuma"
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: Volume 962 号: 1 ページ: 50-50
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad13ff
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ambipolar Heating of Magnetars (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuruta Sachiko、Kelly Madeline J.、Nomoto Ken’ichi、Mori Kanji、Teter Marcus、Liebmann Andrew C.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 945 号: 2 ページ: 151-158
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acbd38
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Machine Learning Detects Multiplicity of the First Stars in Stellar Archaeology Data (2023)
  • 著者名/発表者名: Hartwig Tilman、Ishigaki Miho N.、Kobayashi Chiaki、Tominaga Nozomu、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 946 号: 1 ページ: 20-38
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acbcc6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrodynamics and Nucleosynthesis of Jet-driven Supernovae.I Parameter Study of the Dependence on Jet Energetics (2023)
  • 著者名/発表者名: Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi、Suzuki Tomoharu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 948 号: 2 ページ: 80-80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acbdf5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of the new 12C+12C reaction rate on presupernova nucleosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Xin Wenyu、Nomoto Ken’ichi、Zhao Gang、Wu Wenbo
  • 雑誌名: Chinese Physics C 巻: 47 号: 3 ページ: 034107-034107
  • DOI: 10.1088/1674-1137/aca1ff
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrodynamic simulations of electron-capture supernovae: progenitor and dimension dependence (2022)
  • 著者名/発表者名: Zha Shuai、O’Connor Evan P、Couch Sean M、Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 513 号: 1 ページ: 1317-1328
  • DOI: 10.1093/mnras/stac1035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MUSSES2020J: The Earliest Discovery of a Fast Blue Ultraluminous Transient at Redshift 1.063 (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang Ji-an、Yasuda Naoki、Maeda Keiichi、Tominaga Nozomu、Doi Mamoru、Yoachim Peter、Uno Kohki、Moriya Takashi J.、Kumar Brajesh、Pan Yen-Chen、Tanaka Masayuki、Tanaka Masaomi、Nomoto Ken’ichi、Jha Saurabh W.、Ruiz-Lapuente Pilar、Jones David、Shigeyama Toshikazu、Suzuki Nao et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 933 号: 2 ページ: L36-L36
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac7390
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The late-time light curves of Type Ia supernovae: confronting models with observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Tiwari Vishal、Graur Or、Fisher Robert、Seitenzahl Ivo、Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi、Perets Hagai Binyamin、Shen Ken
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 515 号: 3 ページ: 3703-3715
  • DOI: 10.1093/mnras/stac1618
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] EMPRESS. IV. Extremely Metal-poor Galaxies Including Very Low-mass Primordial Systems with M* = 10^4 - 10^5 Msun and 2%-3% (O/H): High (Fe/O) Suggestive of Metal Enrichment by Hypernovae/Pair-instability Supernovae (2022)
  • 著者名/発表者名: Isobe Yuki、Ouchi Masami、Suzuki Akihiro、Moriya Takashi J.、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 925 号: 2 ページ: 111-111
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac3509
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatially Resolved X-Ray Study of Supernova Remnant G306.3-0.9 with Unusually High Calcium Abundance (2022)
  • 著者名/発表者名: Weng Jianbin、Zhou Ping、Chen Yang、Leung Shing-Chi、Toonen Silvia、Perets Hagai B.、Nomoto Ken’ichi、Zenati Yossef、Vink Jacco
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 924 号: 2 ページ: 119-125
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac308d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Origin of metals in old Milky Way halo stars based on GALAH and Gaia (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishigaki Miho N、Hartwig Tilman、Tarumi Yuta、Leung Shing-Chi、Tominaga Nozomu、Kobayashi Chiaki、Magg Mattis、Simionescu Aurora、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 506 号: 4 ページ: 5410-5429
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1982
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast Blue Optical Transients Due to Circumstellar Interaction and the Mysterious Supernova SN 2018gep (2021)
  • 著者名/発表者名: Leung Shing-Chi、Fuller Jim、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 915 号: 2 ページ: 80-89
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abfcbe
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly Lensed Supernova Refsdal: Refining Time Delays Based on the Supernova Explosion Models (2021)
  • 著者名/発表者名: Baklanov Petr、Lyskova Natalia、Blinnikov Sergei、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 907 号: 1 ページ: 35-35
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abcd98
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Exploration of Aspherical Ejecta Properties in Type Ia Supernovae: Progenitor Dependence and Applications to Progenitor Classification (2021)
  • 著者名/発表者名: Leung Shing-Chi、Diehl Roland、Nomoto Ken’ichi、Siegert Thomas
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 909 号: 2 ページ: 152-152
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abc9c1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A minimum dilution scenario for supernovae and consequences for extremely metal-poor stars (2020)
  • 著者名/発表者名: Magg Mattis、Nordlander Thomas、Glover Simon C O、Hansen Camilla J、Ishigaki Miho、Heger Alexander、Klessen Ralf S、Kobayashi Chiaki、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 498 号: 3 ページ: 3703-3712
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2624
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Standing on the Shoulders of Giants: New Mass and Distance Estimates for Betelgeuse through Combined Evolutionary, Asteroseismic, and Hydrodynamic Simulations with MESA (2020)
  • 著者名/発表者名: Joyce Meridith、Leung Shing-Chi、Molnar Laszlo、Ireland Michael、Kobayashi Chiaki、Nomoto Ken’ichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 902 号: 1 ページ: 63-63
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abb8db
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Mixing-Fallback超新星爆発モデルで探る極金属欠乏銀河の豊富な鉄の起源 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡辺くりあ
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 高い鉄酸素比を持つ極金属欠乏銀河の元素組成比とその起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 渡辺くりあ
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] White Dwarf Explosions (2021)
  • 著者名/発表者名: Shing-Chi Leung and Ken'ichi Nomoto
  • 学会等名: Sixteenth Marcel Grossmann meeting
  • 国際学会 / 招待講演