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第三世代重力波検出器に向けた高精度重力波計算のための数値相対論コード開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K03617
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15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
研究機関京都大学

研究代表者

久徳 浩太郎  京都大学, 理学研究科, 准教授 (30757125)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
キーワード宇宙物理 / 重力波 / 相対論 / 中性子星 / ブラックホール / 数値相対論
研究開始時の研究の概要

連星中性子星やブラックホール・中性子星連星の合体からの重力波波形を理論的に導出するにあたり、精度を決めている中性子星の運動をより正確に解くため、数値相対論コードの流体解法や状態方程式の取り扱いを改良する。2030年代に動き出すと期待される第三世代重力波検出器で得られる重力波データの解析から、中性子星の半径を系統誤差なく100m程度の精度で決めることを目標に、高精度重力波波形の計算を手がける。

研究実績の概要

昨年度に実装した一般化区分的ポリトロープ状態方程式を用いてQCDクロスオーバーを模倣し、様々な解像度で連星中性子星の合体計算を行い、計算結果および収束性を従来のポリトロープ状態方程式と比較した。音速が不連続になるという従来型ポリトロープの欠点を一般化区分的ポリトロープは克服しており、QCDクロスオーバーのより妥当な科学計算を可能にすると同時に、数値流体計算で本質的に重要な音速が連続になることで収束性の改善も期待される。科学的成果という観点では、連星合体過程や放射される重力波は二つの状態方程式モデルの間で定性的には違いがなく、今までに従来型ポリトロープで行われた計算も音速の不連続によって大きな悪影響を被ってはいないことを確認できた。一方、昨年度の予備的検討よりも幅広い解像度で複数のモデルを計算した結果、区分的ポリトロープで得られた結果は系統的に滑らかな収束性を示す、具体的には諸量の解像度への依存性が冪乗でよく表されることを見出しつつある。連星合体計算においては流体や重力の非線形性が複雑に絡み合うため、収束性が不規則になりやすく連続極限への補外に困難を伴う。その点、収束が滑らかであれば連続極限を得ることが容易になるため、将来的な高精度の重力波波形計算に向けて区分的ポリトロープが有益であろうと結論できる。これらの結果は現在論文にまとめており、近く公開・投稿する予定である。さらにQCDクロスオーバーの有無を重力波観測から判別するための研究も進め、現実的に起こりうる距離の連星合体でも将来検出器であれば可能性があることを明らかにした。

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

一般化区分的ポリトロープ状態方程式を用いた科学計算に進み、有意義な形で従来のポリトロープ状態方程式と収束性を比較できたため。

今後の研究の推進方策

HLLC法の有用性を改めて検討しつつ、実装を進める。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 6件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 5件、 招待講演 11件)

  • [国際共同研究] マックスプランク重力物理学研究所(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] マックスプランク重力物理学研究所/イェーナ大学/ポツダム大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] フロリダ・アトランティック大学/ワシントン大学(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] General-relativistic neutrino-radiation magnetohydrodynamics simulation of seconds-long black hole-neutron star mergers: Dependence on the initial magnetic field strength, configuration, and neutron-star equation of state2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Kota、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 107 号: 12 ページ: 123001-123001

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.123001

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-Consistent Picture of the Mass Ejection from a One Second Long Binary Neutron Star Merger Leaving a Short-Lived Remnant in a General-Relativistic Neutrino-Radiation Magnetohydrodynamic Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Kiuchi Kenta、Fujibayashi Sho、Hayashi Kota、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 131 号: 1 ページ: 011401-011401

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.011401

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Comprehensive Study of Mass Ejection and Nucleosynthesis in Binary Neutron Star Mergers Leaving Short-lived Massive Neutron Stars2023

    • 著者名/発表者名
      Fujibayashi Sho、Kiuchi Kenta、Wanajo Shinya、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 942 号: 1 ページ: 39-39

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac9ce0

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Quasinormal modes of Schwarzschild black holes on the real axis2023

    • 著者名/発表者名
      Kyutoku Koutarou、Motohashi Hayato、Tanaka Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 107 号: 4 ページ: 044012-044012

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.044012

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gravitational Wave Signal for Quark Matter with Realistic Phase Transition2023

    • 著者名/発表者名
      Fujimoto Yuki、Fukushima Kenji、Hotokezaka Kenta、Kyutoku Koutarou
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 130 号: 9 ページ: 091404-091404

    • DOI

      10.1103/physrevlett.130.091404

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] General-relativistic neutrino-radiation magnetohydrodynamic simulation of seconds-long black hole-neutron star mergers2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Kota、Fujibayashi Sho、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Sekiguchi Yuichiro、Shibata Masaru
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 号: 2 ページ: 023008-023008

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.023008

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] How many extragalactic stellar mass binary black holes will be detected by space gravitational-wave interferometers?2022

    • 著者名/発表者名
      Seto Naoki、Kyutoku Koutarou
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 514 号: 4 ページ: 4669-4675

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1561

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigating GW190425 with numerical-relativity simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Dudi Reetika、Adhikari Ananya、Br?gmann Bernd、Dietrich Tim、Hayashi Kota、Kawaguchi Kyohei、Kiuchi Kenta、Kyutoku Koutarou、Shibata Masaru、Tichy Wolfgang
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 号: 8 ページ: 084039-084039

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.084039

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Gravitational waves from compact binary mergers2023

    • 著者名/発表者名
      Koutarou Kyutoku
    • 学会等名
      Black Hole and Gravitational Waves: from alternative gravity to data analysis
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 重力波天文学で迫る状態方程式"2023

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      〜中性子星の観測と理論〜研究活性化ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] O4とマルチメッセンジャー観測の展望2023

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 重力波天体からのマルチメッセンジャー2023

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      日本天文学会2023年秋季年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] コンパクト天体の衝突・合体現象2023

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      第19回衝突研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Gravitational waves and physics of compact objects2023

    • 著者名/発表者名
      Koutarou Kyutoku
    • 学会等名
      Gravitational Wave Probes of Physics Beyond Standard Model
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 重力波と天体と新物理2023

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      素粒子物理の今と未来
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Gravitational waves from binary-neutron-star mergers and the equation of state2023

    • 著者名/発表者名
      Koutarou Kyutoku
    • 学会等名
      Condensed Matter Physics of QCD 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 重力波天文学と状態方程式の制限2022

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 実軸上のブラックホール準固有振動2022

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Coalescences of black hole-neutron star binaries2022

    • 著者名/発表者名
      Koutarou Kyutoku
    • 学会等名
      The Third Gravi-Gamma Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quasinormal modes of Schwarzschild black holes on the real axis2022

    • 著者名/発表者名
      Koutarou Kyutoku
    • 学会等名
      Cosmology and Particle Astrophysics in 2022 (CosPA 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 実軸上のブラックホール準固有振動2022

    • 著者名/発表者名
      久徳浩太郎
    • 学会等名
      第35回理論懇シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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