中性子星合体におけるrプロセス元素合成と重力波対応天体

• 研究課題/領域番号: 26400237
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 上智大学 (2015-2018); 独立行政法人理化学研究所 (2014)
• 研究代表者: 和南城 伸也 上智大学, 理工学部, 准教授 (30327879)
• 研究分担者: 関口 雄一郎 東邦大学, 理学部, 准教授 (50531779) ; 石丸 友里 国際基督教大学, 教養学部, 上級准教授 (90397068)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2018年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2017年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2016年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2015年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2014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: 中性子星合体 / 超新星爆発 / rプロセス / 重力波 / キロノバ / 銀河化学進化 / 矮小銀河 / 重力波対応天体 / 原子核反応 / 元素合成 / 中性子星 / 状態方程式 / 電子捕獲 / ニュートリノ / 銀河系 / 化学進化

研究実績の概要

本研究の目的は、中性子星合体における元素合成および重力波対応天体キロノバの研究により、レアアース、金、ウランなどのrプロセス元素の起源を解明することであった。中性子星合体の元素合成の計算 (Wanajo et al. 2014) に基づくキロノバの観測予測を行い (Tanaka et al. 2018)、その直後に中性子星合体GW170817が発見された。対応するキロノバの観測結果は我々の予測の範囲内で説明され、rプロセス元素がつくられたことが示された。
中性子星合体には1億年以上を要するため、銀河初期の星に観測されるrプロセス元素の存在が説明できないという問題があった。銀河系は様々な質量のサブハローの合体により形成され、低質量のサブハローほど星形成率が低いという仮説の基に銀河化学進化の計算を行い、観測されるrプロセス元素の存在は中性子星合体で説明できること、ストロンチウムなどの軽いrプロセス元素には超新星などの別も起源も必要なこと、そしてサブハローモデルが矮小銀河の化学進化も説明可能であることを明らかにした (Ishimaru et al. 2015; Ojima et al. 2018)。
最終年度（本年度）は、中性子星合体がrプロセス元素の主要な起源であることを実証するために、rプロセス元素の核崩壊加熱率に関する研究を行った (Wanajo 2018)。中性子星合体GW170817の観測によりレアアースが存在することは明らかにされたが、金やウランなどの重いrプロセス元素がつくられた証拠は得られていない。GW170817での主要な熱源はrプロセス元素ではなくニッケル66（半減期2.3日）のような軽い元素であった可能性を示し、重いrプロセス元素がつくられたことを明らかにするには、将来の観測でカリフォルニウム254（半減期61日）の兆候を捉えることが有効であることを示した。

研究成果

• [国際共同研究] パリ天体物理学研究所/パリ天文台(フランス)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所/GSI(ドイツ)
• [国際共同研究] モナッシュ大学(オーストラリア)
• [国際共同研究] パリ天体物理学研究所/パリ天文台(フランス)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] モナッシュ大学(オーストラリア)
• [国際共同研究] パリ天体物理学研究所/パリ天文台(フランス)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] クイーンズ大学ベルファスト(英国)
• [国際共同研究] モナッシュ大学(オーストラリア)
• [雑誌論文] Mass measurements of neutron-deficient Y, Zr, and Nb isotopes and their impact on rp and νp nucleosynthesis processes (2018)
  • 著者名/発表者名: Y.M. Xing, K.A. Li, Y.H. Zhang, X.H. Zhou, M. Wang, Yu.A. Litvinov, K. Blaum, S. Wanajo, S. Kubono, G. Martinez-Pinedo, et al.
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 781 ページ: 358-363
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.04.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical analysis of very metal-poor turn-off stars from SDSS-DR12 (2018)
  • 著者名/発表者名: Francois, P., Caffau, E., Wanajo, S., Aguado, D., Spite, M., Aoki, M., Aoki, W., Bonifacio, P., Gallagher, A. J., Salvadori, S., Spite, F.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 619 ページ: A10-A10
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833824
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Stochastic Chemical Evolution of Galactic Subhalos and the Origin of r-process Elements (2018)
  • 著者名/発表者名: Ojima Takuya、Ishimaru Yuhri、Wanajo Shinya、Prantzos Nikos、Francois Patrik
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 865 号: 2 ページ: 87-87
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aada11
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physical conditions for the r-process I. radioactive energy sources of kilonovae (2018)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: in press
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nucleosynthesis in the Innermost Ejecta of Neutrino-Driven Supernova Explosions in Two Dimensions (2018)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, S., Mueller, B., Janka, H.-T., Heger, A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 852 号: 1 ページ: 40-20
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa9d97
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Properties of Kilonovae from Dynamical and Post-Merger Ejecta of Neutron Star Mergers (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M., Kato, D., Gaigalas, G., Rynkun, P., Radziute, L., Wanajo, S., Sekiguchi, Y., Nakamura, N., Tanuma, H., Murakami, I., Sakaue, H. A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 852 号: 2 ページ: 109-109
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa0cb
  • NAID: 120007180031
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enrichment of Zinc in Galactic Chemodynamical Evolution Models (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirai, Y., Saitoh, T. R., Ishimaru, Y., Wanajo, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 855 号: 1 ページ: 63-63
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaaabc
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simulations of Electron Capture and Low-Mass Iron Core Supernovae (2017)
  • 著者名/発表者名: Mueller, B., Wanajo, S., Janka, H.-Th., Heger, A., Gay, D., Sim, S. A.
  • 雑誌名: Memorie della Societa Astronomica Italiana 巻: 88 ページ: 288-293
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Stochastic Chemical Evolution of Sub-Halos and the Origin of R-Process Elements (2017)
  • 著者名/発表者名: Ojima, T., Ishimaru, Y., Wanajo, S., Prantzos, N.
  • 雑誌名: Proceedings of the 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos, JPS Conf. Proc. 巻: 14 ページ: 020208-3
  • DOI: 10.7566/jpscp.14.020208
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enrichment of R-Process Elements by Neutron Star Mergers Through the Sub-Halo Clustering (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishimaru, Y., Ojima, T., Wanajo, S., Prantzos, N.
  • 雑誌名: Proceedings of the 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos, JPS Conf. Proc. 巻: 14 ページ: 020210-3
  • DOI: 10.7566/jpscp.14.020210
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Abundance of Weak r-process Elements of Metal-Poor Stars ~Universality or Diversity?~ (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki, M., Ishimaru, Y., Aoki, W., Wanajo, S.
  • 雑誌名: Proceedings of the 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos, JPS Conf. Proc. 巻: 14 ページ: 020302-3
  • DOI: 10.7566/jpscp.14.020302
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diversity of Abundance Patterns of Light Neutron-capture Elements in Very-metal-poor Stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Misa Aoki, Yuhri Ishimaru, Wako Aoki, Shinya Wanajo
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 837 号: 1 ページ: 8-16
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa5d08
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Production and Distribution of 44Ti and 56Ni in a Three-Dimensional Supernova Model Resembling Cassiopeia A (2017)
  • 著者名/発表者名: Wongwathanarat, A., Janka, H.-T., Mueller, E., Pllumbi, E., Wanajo, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 842 号: 1 ページ: 13-20
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa72de
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Radioactive decay products in neutron star merger ejecta: heating efficiency and γ-ray emission (2016)
  • 著者名/発表者名: Hotokezaka, K., Wanajo, S., Tanaka, M., Bamba, A., Terada, Y., Piran, T.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 459 号: 1 ページ: 35-43
  • DOI: 10.1093/mnras/stw404
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The r-process in black hole-neutron star mergers based on a fully general-relativistic simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, N.; Wanajo, S.; Sekiguchi, Y.; Kiuchi, K.; Kyutoku, K.; Shibata, M.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 665 ページ: 012059-012059
  • DOI: 10.1088/1742-6596/665/1/012059
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] HST/STIS abundances in the uranium rich metal poor star CS 31082-001: Constraints on the r-Process (2016)
  • 著者名/発表者名: Siqueira-Mello, C.; Spite, M.; Barbuy, B.; Spite, F.; Caffau, E.; Hill, V.; Wanajo, S.; Primas, F.; Plez, B.; Cayrel, R.; Andersen, J.; Nordstroem, B.; Sneden, C.; Beers, T. C.; Bonifacio, P.; Francois, P.; Molaro, P.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 665 ページ: 012056-012056
  • DOI: 10.1088/1742-6596/665/1/012056
  • 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Neutron Star Mergers as the Origin of r-Process Elements in the Galactic Halo Based on the Sub-halo Clustering Scenario (2015)
  • 著者名/発表者名: 石丸 友里, 和南城 伸也, Nikos Prantzos
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 804 号: 2 ページ: L35-L35
  • DOI: 10.1088/2041-8205/804/2/l35
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] IMPACT OF NEUTRINO FLAVOR OSCILLATIONS ON THE NEUTRINO-DRIVEN WIND NUCLEOSYNTHESIS OF AN ELECTRON-CAPTURE SUPERNOVA (2015)
  • 著者名/発表者名: Else Pllumbi , Irene Tamborra , Shinya Wanajo , Hans-Thomas Janka , and Lorenz Huedepohl
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 808 号: 2 ページ: 188-188
  • DOI: 10.1088/0004-637x/808/2/188
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Production of all the r-process nuclides in the dynamical ejecta of neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Wanajo, Y. Sekiguchi, N. Nishimura, K. Kiuchi, K. Kyutoku, and M. Shibata,
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letters 巻: 789 号: 2 ページ: L39-L39
  • DOI: 10.1088/2041-8205/789/2/l39
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] rプロセスと核崩壊加熱率 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 重力波観測時代のrプロセスと不安定核
  • 招待講演
• [学会発表] rプロセスと核分裂 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 超重元素研究の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] The r-process in neutron star mergers and the radioactive energies (2018)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, S.
  • 学会等名: Fifth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the APS and The JPS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] r-Process in Supernovae and Neutron Star Mergers (2017)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: The Japan-France Workshop “Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution”
  • 国際学会
• [学会発表] Galactic Chemical Evolution of r-Process Elements (2017)
  • 著者名/発表者名: 石丸友里
  • 学会等名: The Japan-France Workshop “Neutron Star Mergers and Galactic Chemical Evolution”
  • 国際学会
• [学会発表] r-Process Nucleosynthesis in Neutron Star Mergers (2017)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: Stellar Evolution, Supernova and Nucleosynthesis Across Cosmic Time
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nucleosynthesis in Neutron Star Mergers (2017)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: Ito International Research Center (IIRC) Symposium “Perspectives of the Physics of Nuclear Structure”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 重元素の起源 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 第30回理論懇シンポジウム「星の物理の新地平」
  • 招待講演
• [学会発表] r-Process in Neutron Star Mergers and Kilonova Emission (2017)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: The first annual symposium of the innovative area "Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Compact binary mergers as the origins of r-process elements (2016)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, Shinya
  • 学会等名: Nuclear Physics, Compact Stars, and Compact Star Mergers 2016
  • 発表場所: Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Origin of r-process elements and nuclear cosmo-chronology (2016)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, Shinya
  • 学会等名: The Milky Way and its environment: gaining insights into the drivers of galaxy formation and evolution
  • 発表場所: Institut d'Astrophysique de Paris, Paris, France
  • 年月日: 2016-09-19
  • 国際学会
• [学会発表] The r-process in the ejecta of neutron star mergers (2016)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, Shinya
  • 学会等名: 14th International Symposium on Nuclei in the Cosmos XIV
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata, Japan
  • 年月日: 2016-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nucleosynthesis with multi-dimensional supernova models (2016)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, Shinya
  • 学会等名: The r- process nucleosynthesis: connecting FRIB with the cosmos
  • 発表場所: Michigan State University, Lansing, USA
  • 年月日: 2016-05-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The r-process in the ejecta of neutron star mergers (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Symposium on ‘Quarks to Universe in Computational Science
  • 発表場所: 奈良春日野国際フォーラム（奈良県・奈良市）
  • 年月日: 2015-11-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The r-process and electromagnetic emission from neutron star mergers (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: GRB Workshop 2015
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県・和光市）
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nucleosynthesis of r-process elements in the ejecta from supernovae and neutron star mergers (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: First stars, galaxies, and black holes: Now and Then
  • 発表場所: University of Groningen (Groningen, Netherlands)
  • 年月日: 2015-06-15
  • 国際学会
• [学会発表] Nucleosynthesis with multi-dimensional supernova models (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: F.O.E. Fifty-One Erg
  • 発表場所: North Carolina State University (Raleigh, USA)
  • 年月日: 2015-06-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超新星ニュートリノ加熱物質中の元素合成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究
  • 発表場所: 神戸大学（兵庫県・神戸市）
  • 年月日: 2015-05-15
  • 招待講演
• [学会発表] Universality of the r-process (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: 12th Russbach School on Nuclear Astrophysics
  • 発表場所: Hotel Gasthof Auswinkl, Russbach, Austria
  • 年月日: 2015-03-08 – 2015-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] r-process 元素合成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: コンパクト連星合体からの重力波・電磁波放射と その周辺領域
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所（京都府京都市左京区）
  • 年月日: 2015-02-12 – 2015-02-14
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of the r-process nuclei and there levant nuclear physics (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Progress in nuclear shell-model calculations in CNS-RIKEN collaboration
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2014-11-26 – 2014-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] The r-process in the ejecta from neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Recent progress on r-process and nucleosynthesis
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2014-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of gold: supernovae vs neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Kavli IPMU - RIKEN iTHES - Osaka TSRP Symposium ”Frontiers of Theoretical Science MATTER, LIFE and COSMOS - ”
  • 発表場所: Kavli IPMU（千葉県柏市）
  • 年月日: 2014-11-06
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in the neutrino-processed ejecta of neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: 4th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Villagel, Hawaii, USA
  • 年月日: 2014-10-07 – 2014-10-11
  • 招待講演
• [学会発表] origin of the r-process nuclei (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Advances and perspectives in computational nuclear physics
  • 発表場所: Hilton Waikoloa Village, Hawaii, USA
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-07
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 新学術領域研究「実験と観測で解き明かす中性子星の核物質」第 3 回研究会
  • 発表場所: 熱川ハイツ（静岡県賀茂郡東伊豆町）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Nuclear Physics and Astrophysics of Neutron-Star Mergers and Supernovae
  • 発表場所: ECT*, Trento, Italy
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: Supernovae and gamma-ray bursts
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-27
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子星合体のrプロセス (2014)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 「宇宙核物理実験の現状と将来」研究会
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府茨木市）
  • 年月日: 2014-08-07 – 2014-08-08
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: iTHES-Kavli IPMU-RESCEU Joint Meeting
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2014-07-07 – 2014-07-08
  • 招待講演
• [学会発表] r-process in SN and neutron star mergers (2014)
  • 著者名/発表者名: Shinya Wanajo
  • 学会等名: Simulating the Supernova Neutrinosphere with Heavy Ion Collisions
  • 発表場所: ECT*, Trento, Italy
  • 年月日: 2014-04-07 – 2014-04-11
  • 招待講演
• [備考] 金やウランなどの重い元素は中性子星の合体で作られた可能性が高い
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140717_2/
• [備考] 金やウランなど鉄より重い元素は 中性子星の合体によってつくられた!?
  • URL: http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/publications/news/2014/rn201411.pdf