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超新星マルチメッセンジャー観測に向けた多次元爆発メカニズムの理論的解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K22494
補助金の研究課題番号 22H01223 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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
研究機関福岡大学

研究代表者

固武 慶  福岡大学, 理学部, 教授 (20435506)

研究分担者 滝脇 知也  国立天文台, 天文シミュレーションプロジェクト, 准教授 (50507837)
松本 仁  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (70722247)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2025年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
キーワード超新星爆発 / ニュートリノ / 重力波 / マルチメッセンジャー天文学 / 輻射輸送 / マルチメッセンジャー / 磁気流体 / スーパーコンピューティング / 中性子星 / 原子核物理 / 素粒子物理
研究開始時の研究の概要

大質量星が進化の最終段階において迎える超新星がどのような仕組みで爆発するのかは、過去50年以上にわたる宇宙物理学の謎です。最近のシミュレーションコード開発の進展で、「爆発するモデルが作れない」という積年の問題は解決に向かっていますが、まだ、理論モデルは観測を説明できていません。理論モデルが予想する爆発エネルギーが観測より一桁ほど小さいのです。本研究課題では、世界最高水準の数値コードに最新の素粒子モデルの効果を入れて、「元気に爆発」するモデルを作ることを目指します。このような理論研究は、将来の超新星からの重力波・ニュートリノ観測に向けて不可欠なもので、学術的意義が高いものです。

研究実績の概要

本年度の成果で、主たるものとして、磁場の効果を含む鉄コアの重力崩壊並びにニュートリノ駆動爆発に至るまでの動的進化を空間三次元の超新星シミュレーションで再現することに成功した成果が挙げられる。従来の研究で、鉄コアが高速自転、強磁場を有しているときには、磁場の巻き込みの効果や磁気流体不安定性などで、鉄コアの回転軸に沿ってジェット状の爆発が起きることが指摘されていた。一方で、そもそも、鉄コアが高速自転、強磁場を有している状況が大質量進化のパスとしては、極めて稀なケースであることも分かってきた。鉄コアが強磁場を持っている場合は、磁場による角運動量の輸送が起こり、一般に鉄コアの自転は、低速になることが指摘されている。そのような研究背景のもと、今年度は、低速回転している鉄コアに磁場をシステマティックに印加したときの、超新星爆発のダイナミクスを研究した。その結果、特に超新星コアにおいて、乱流が駆動するニュートリノ加熱領域において磁気乱流が駆動され、そこでは、磁場が指数関数的に増加することがわかった。このとき、この磁場の増加率が、αΩ効果による磁場の線形成長率と一致することから、磁場増加の物理的な機構も突き止められたのが、この研究の最も重要な点である。
以上の成果に加え、超新星マルチメッセンジャーの文脈で、連星の効果まで含むニュートリノ背景放射に関する定量的予測を行った成果、さらにアキシオンと呼ばれる素粒子が超新星爆発に及ぼす効果をまずは、2次元軸対称の超新星シミュレーションで調べ、さらに、そのマルチメッセンジャーの定量的予測も行い、将来の観測から、逆にアキシオンパラメーターに制限を加えられる可能性についても指摘できた点も新しい成果である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究課題の開始当初は、いわゆる素粒子の標準モデルの範疇で超新星爆発から放射されるマルチメッセンジャー(ニュートリノ、重力波)予測を行う計画であったが、近年の素粒子理論・実験の進展から、様々なエネルギーレンジにわたって、アキシオンと呼ばれる素粒子が様々な文脈で注目を浴びている。例えば、ダークマターを説明する候補として、さらには、超新星爆発においては、爆発を助ける効果が指摘されている。そのような研究背景のもと、本研究課題においても、アキシオンの効果を取り入れた超新星爆発の研究に着手出来たのが、上記の研究進捗に関する評価になる。研究初年度は、まずは、空間1次元を仮定した理論モデル、本年度は、その結果をアップデートさせ、空間2次元の理論モデルを発表できた。現在は、空間3次元の理論シミュレーションを行っており、予備的な成果が得られつつある。その意味で、当初の予想を超える成果が得られつつあると判断できる。
さらに、超新星の3次元MHDシミュレーションにおいても、親星を系統的に変化させた研究成果が既に得られており、現在論文執筆中である。これまでの先行研究で、最も系統的に親星を変化させた理論研究よりも「更に」、系統的な研究をMHDモデルで調べることに成功している。この点も、上記の現在の研究進捗に対する上の判断基準の一つになっている。

今後の研究の推進方策

今後の研究推進方策は以下の3点である。
その1)現在進めている親星の質量を9太陽質量から、25太陽質量まで、最新の親星モデルをもちいた世界で最も系統的な超新星シミュレーション結果を論文としてまとめ、そのマルチメッセンジャーの定量的予測を行うことである。さらに、本年度は、鉄コアの自転も(ただし低速自転に限って)調べ、より系統的な超新星爆発のダイナミクスおよび、マルチメッセンジャーの定量的予測を行う。
その2)先述したアキシオンの効果を含む、空間3次元の超新星シミュレーションを世界に先駆けて行う。近年の超新星爆発理論において、ニュートリノの自己相互作用の効果が特に注目を浴びている、いわゆる、早いニュートリノフレーバー変換(Fast Flavor Conversion; FFC)である。このFFCの効果を、まず、現象論的に3Dの超新星モデリングに導入し、その動的進化に及ぼす効果およびに、マルチメッセンジャーシグナルの予測を行う計画である。
その3)本年度も着目した、大質量星の連星進化の研究をより深化させることが不可欠である。これまでの研究から、大質量星の中で、その6割以上は連星系をなしているとの指摘がある。一方で、これまでの超新星理論は、ほぼすべてが、親星が単独星であることを仮定しており、連星の効果が大質量星進化に及ぼす効果、さらには、爆発メカニズムに及ぼす効果については、未だ未解明である。この点を明らかにするために、まずは、種族合成法(いわゆるpopulation synthesis)の観点からこの点に迫る計画である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (47件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 8件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 16件、 招待講演 15件)

  • [国際共同研究] マックスプランク重力研究所(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] バージニア工科大(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ブロツワフ大学(ポーランド)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] バージニア工科大学(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] バリ大学(イタリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Neutrino-driven massive stellar explosions in 3D fostered by magnetic fields via turbulent α-effect2024

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Jin、Takiwaki Tomoya、Kotake Kei
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      巻: 528 号: 1 ページ: L96-L101

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slad173

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] On the treatment of phenomenological turbulent effects in one-dimensional simulations of core-collapse supernovae2024

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, S., & Takiwaki, T.
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 528 号: 2 ページ: 1158-1158

    • DOI

      10.1093/mnras/stad3997

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Diffuse supernova neutrino background with up-to-date star formation rate measurements and long-term multidimensional supernova simulations2024

    • 著者名/発表者名
      Ekanger Nick、Horiuchi Shunsaku、Nagakura Hiroki、Reitz Samantha
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 109 号: 2 ページ: 023024-023024

    • DOI

      10.1103/physrevd.109.023024

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin-flavor precession of Dirac neutrinos in dense matter and its potential in core-collapse supernovae2023

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, H., Takiwaki, T., & Balantekin, A. B.
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 108 号: 10 ページ: 103046-103046

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.103046

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Multimessenger signals of heavy axionlike particles in core-collapse supernovae: Two-dimensional simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Mori Kanji、Takiwaki Tomoya、Kotake Kei、Horiuchi Shunsaku
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 108 号: 6 ページ: 063027-063027

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.063027

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Long-term gravitational wave asteroseismology of supernovae: From core collapse to 20 seconds postbounce2023

    • 著者名/発表者名
      Mori, Masamitsu; Suwa, Yudai; Takiwaki, Tomoya
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 107 号: 8 ページ: 83015-83015

    • DOI

      10.1103/physrevd.107.083015

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Monotonicity of the Cores of Massive Stars2023

    • 著者名/発表者名
      Koh Takahashi, Tomoya Takiwaki, and Takashi Yoshida
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 945 号: 1 ページ: 1-24

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acb8b3

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Light Curves and Event Rates of Axion Instability Supernovae2023

    • 著者名/発表者名
      Mori Kanji、Moriya Takashi J.、Takiwaki Tomoya、Kotake Kei、Horiuchi Shunsaku、Blinnikov Sergei I.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 943 号: 1 ページ: 12-12

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acaaff

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetic support for neutrino-driven explosion of 3D non-rotating core-collapse supernova models2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Jin、Takiwaki Tomoya、Kotake Kei、Asahina Yuta、Takahashi Hiroyuki R.
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 516 号: 2 ページ: 1752-1767

    • DOI

      10.1093/mnras/stac2335

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Chiral plasma instability and inverse cascade from nonequilibrium left-handed neutrinos in core-collapse supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Naoki Yamamoto, Di-Lun Yang
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 号: 12 ページ: 123029-123029

    • DOI

      10.1103/physrevd.105.123029

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Impact of late-time neutrino emission on the diffuse supernova neutrino background2022

    • 著者名/発表者名
      Ekanger Nick、Horiuchi Shunsaku、Kotake Kei、Sumiyoshi Kohsuke
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 106 号: 4 ページ: 043026-043026

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.043026

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 3D template-based Fermi-LAT constraints on the diffuse supernova axion-like particle background2022

    • 著者名/発表者名
      Calore Francesca , Carenza Pierluca , Eckner Christopher , Fischer Tobias , Giannotti Maurizio , Jaeckel Joerg , Kotake Kei , Kuroda Takami , Mirizzi Aless,ro , Sivo Francesco
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 号: 6 ページ: 63028-63028

    • DOI

      10.1103/physrevd.105.063028

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Impact of helicities on magnetic amplification in core-collapse supernova2024

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Naoki Yamamoto, Di-Lun Yang, Tomoya Takiwaki, Kei Kotake
    • 学会等名
      2023年度国立天文台CfCAユーザーズミーティング
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Dependence of the magnetic field and rotation on the explosion mechanism of core-collapse supernovae2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Tomoya Takiwaki, Kei Kotake, Yuta Asahina, Hiroyuki R. Takahashi
    • 学会等名
      AAPPS-DPP2023 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Impact of helicities on magnetic amplification in core-collapse supernova2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Naoki Yamamoto, Di-Lun Yang, Tomoya Takiwaki, Kei Kotake
    • 学会等名
      KiPAS international workshop "From particle physics to supernovae and early Universe"
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 超新星爆発における乱流α効果により増幅された磁場の果たす役割2023

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 滝脇知也, 固武慶
    • 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2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 超新星爆発における乱流α効果により増幅された磁場の果たす役割2023

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 滝脇知也, 固武慶
    • 学会等名
      日本天文学会2023年秋季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 3D MHD Core-collapse Supernova Modeling and the MM Predictions2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      Forging a New Synthesis Between Supernova Theory and Observation
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multi-messenger Signal Predictions from 3D MHD Core-collapse Supernova Models2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      Astrophysical neutrinos and the origin of the elements
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3D Core-collapse Supernova Models on the Verge of Success2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      IReNA Workshop on Weak Interactions in Nuclear Astrophysics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Neutrino and Gravitation-wave signatures from pre-collapse to explosion phases of core-collapse supernovae2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      the International Conference on Supernova Neutrino Detection SNvD 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超新星爆発中における回転にともなう乱流起源の磁場増幅2023

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 滝脇知也, 固武慶, 朝比奈雄太, 高橋博之
    • 学会等名
      国立天文台天文シミュレーションプロジェクト令和4年度ユーザーズミーティング
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Role of helicities for amplification of the magnetic field2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto
    • 学会等名
      Focus Workshop on Collective Oscillations and Chiral Transport of Neutrinos
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超新星の爆発メカニズムの謎2023

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      国立天文台 科学研究部 春の学校2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] From Classical to Quantum Neutrino Transport in Core-Collapse Supernova Simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Takiwaki
    • 学会等名
      Focus workshop on collective oscillations and chiral transport of neutrinos
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超新星爆発に使われるニュートリノ反応率の整理2023

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      Numazu workshop 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnetohydrodynamics with Swirling Flow: Astrophysical Impacts via Plasma Outflows2022

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Youhei Masada
    • 学会等名
      Plasma Explosions in the Universe
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 非平衡左巻きニュートリノがもたらす磁場の逆カスケードメカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 山本直希, Di-Lun Yang
    • 学会等名
      日本天文学会2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 3D MHD simulations of non- and slowly- rotating core-collapse supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Tomoya Takiwaki, Kei Kotake, Yuta Asahina, Hiroyuki R. Takahashi
    • 学会等名
      The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Role of helicities in core-collapse supernova explosions2022

    • 著者名/発表者名
      松本仁
    • 学会等名
      第152回地球電磁気・地球惑星圏学会秋学会特別セッション「SGEPSS・天文学会・物理学会合同セッ ション: 室内実験・惑星・天体プラズマの普遍性と多様性」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 大質量星コアの三次元重力崩壊シミュレーションにおける磁場および回転依存性2022

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 滝脇知也, 固武慶, 朝比奈雄太, 高橋博之
    • 学会等名
      高エネルギー宇宙物理学研究会2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Dependence of the magnetic field and rotation on the explosion mechanism of core-collapse supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Jin Matsumoto, Tomoya Takiwaki, Kei Kotake, Yuta Asahina, Hiroyuki R. Takahashi
    • 学会等名
      Supernovae in the Gravitational Wave Detection Era
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 超新星爆発中における回転にともなう乱流起源の磁場増幅2022

    • 著者名/発表者名
      松本仁, 滝脇知也, 固武慶, 朝比奈雄太, 高橋博之
    • 学会等名
      第35回理論懇シンポジウム「理論天文学・宇宙物理学の広がり:さらなる発展に向けて」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 超新星爆発からの重力波、検出への期待2022

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      新学術領域重力波創世記 市民講演会,
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Rossby wave instability in proto neutron stars2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Takiwaki
    • 学会等名
      Brainstorming workshop 2022 to Revolutionize the Core-Collapse Supernova Theory
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Variety of Gravitational wave from core-collapse supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Takiwaki
    • 学会等名
      11th Aegean Summer School
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] New targets of gravitational wave: Core-collapse supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Takiwaki
    • 学会等名
      2nd GWSP Future Strategy Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超新星爆発の理論研究の現状と次の方向性の模索2022

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      重力波天文学時代における超新星研究
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 中性子星か?ブラックホールか?超新星爆発で別れる大質量星の運命2022

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      総研大 おうちで天文・宇宙2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Gravitational-wave and Neutrino signal predictions:3D MHD CCSN modeling2022

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      SN2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Neutrino and gravitational-wave signal predictions from SN modeling2022

    • 著者名/発表者名
      Kei Kotake
    • 学会等名
      Neutrino Oscillation Workshop (NOW2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超新星の多次元爆発メカニズムとニュートリノ・重力波シグナル2022

    • 著者名/発表者名
      固武慶
    • 学会等名
      日本物理学会, 共催シンポジウム「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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