| 研究課題/領域番号 |
21K03557
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
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| 研究機関 | 大阪公立大学 (2022)
大阪市立大学 (2021) |
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研究代表者 |
中尾 憲一 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (90263061)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
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| キーワード | 一般相対論 / ブラックホール / 超コンパクト天体 / 量子論的放射 / 準固有振動 / グラバスター / 高速回転コンパクト天体 / 相対論 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
我々の宇宙に存在するブラックホールは、大質量の物体の重力崩壊によって形成されると考えられている。しかし、ブラックホール自体を観測することは原理的に不可能であり、物体がブラックホールを形成する場合、我々が観測できるのは永遠に重力崩壊を続ける物体だけである。本研究では、ほぼブラックホールのサイズまで収縮した高速回転する重力崩壊物体の観測可能性及びブラックホール類似天体の一つである gravastar の性質、そしてそれらの極近傍における物理過程を明らかにすることを目指す。
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| 研究実績の概要 |
電波や重力波の観測技術の目覚ましい発展により可能となったブラックホール候補天体の観測的研究が現実のものとなった今、その近傍の物理現象の理論的な研究はその重要性を増している。しかし我々がブラックホールを直接観測しその存在を確認することはできない。我々が観測できるのは永遠に重力崩壊を続ける超コンパクト天体か、重力崩壊をやめて定常になったコンパクト天体の周りの時空構造である。本研究の目的はその超コンパクト天体近傍の物理的情報をどのように引き出すのかを理論的に明らかにらかにすることである。具体的には以下の通りである。
Superspinar は Gimon と Horava によって提案された仮想的な高速回転している超コンパクト天体であり、その外部は Kerr bound を超える角運動量を持つ事象の地平線を持たない Kerr 計量で記述される。この天体は、超弦理論的な効果によっ平衡形状が保たれていると考えられており、もしその存在が確認されれば、超弦理論の正当性を強く示唆する。Superspinar の外部にはエルゴ圏が存在し、それが原因で不安定性が存在すると予想されており、その予想の成否を確認した先行研究が存在するが、Superspinar の表面での境界条件の設定に不備があった。そもそも Superspinar 自身の性質が明確ではないので、本研究ではSuperspinar の安定性とその表面の境界条件との関係を明らかにすることを目的として研究を進めた。
もう一つは21年度から続けているグラバスターの形成過程で生成される量子論的な放射の解析をさらに進めた。今年度は昨年度解析を進めた重力崩壊モデルではなく、静的な星の突然の相転移によってグラバスターが形成されるモデルを解析し、ブラックホールの形成過程で生成される Hawking 放射を伴わない量子論的な放射に関する研究を進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
Superspinar の安定性に関しては、その外部時空を記述する Kerr bound を超えるKerr 時空の線形摂動の解析を、今年度指導した修士課程の大学院生徒の共同研究として行った。具体的には、線形摂動として質量ゼロのスカラー場の方程式の解を、無限遠で外向きに伝播する境界条件のもと求め、安定性とエルゴ圏の表面におけるスカラー場のエネルギーの流出入と不安定性の関係を明らかにした。
21年度のグラバスターの研究をさらに進めて、重力崩壊を伴わないグラバスター形成でも量子論的放射のスペクトルが熱的になることを明らかにした。この熱放射はグラバスター内部が de Sitter 時空であることが理由として考えられるが、de Sitter 時空の地平面は存在していない。Gibbons と Hawking によって明らかにされた de Sitter 時空における熱的スペクトルの量子論的な放射は de Sitter 時空に地平線が存在することが理由と考えられているが、この結果は必ずしもそうではないことを示している。
本研究で想定されている研究対象は高速回転している超コンパクト天体だが、それに注目する理由は、天体近傍の物理的な情報が重力赤方偏移を受けないために、原理的に観測可能だからである。本研究の最大の目的は超コンパクト天体近傍の物理的情報を観測する術を理論に明らかにすることである。Superspinar の安定性は準固有振動モードも解析と等価であり、将来の重力波観測による Superspinar 近傍の同定と関係するものである。また、グラバスターの形成過程で生成される熱的な量子放射を通してグラバスター内部の情報を得られることを示した21年度の成果をさらに精密化したのが今年度の研究成果であり、概ね順調に研究が進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度は、修士論文の指導をしている修士課程の大学院生に「Superspinar の物理的な性質」をテーマとして与えて共同研究を進めある程度の成果が得られたが、まだ十分に解析を行なったとは言えない状況にある。大学院生が構築した数値計算のプログラムを用いさらに解析を進める予定である。また、superspinar の具体例として高速回転するグラバスターの初期条件を表す拘束条件の解の構成も同時に進める予定である。
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