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2020 年度 実績報告書

重力波天文学で解き明かす超新星爆発の物理

計画研究

研究領域重力波物理学・天文学:創世記
研究課題/領域番号 17H06364
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 神田 展行  大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50251484)
滝脇 知也  国立天文台, 科学研究部, 助教 (50507837)
端山 和大  福岡大学, 理学部, 准教授 (70570646)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード超新星爆発 / 重力波天文学 / 中性子星 / ブラックホール / ニュートリノ輻射流体計算 / スーパーコンピューティング
研究実績の概要

本年度は、まず、データ解析に関する研究において、初年度に購入した重力波観測データ解析用計算機上に構築した超新星爆発からの重力波などの突発性重力波検出用の重力波探査用解析ソフトウェアを用いて、2020年2月から2020年4月にわたって行われたLIGOとVirgo、KAGRAによる共同観測で得られたデータの解析を行った。その中で特に、突発性重力波の探査について国際共同観測チームをリードして、解析を進めた。観測結果を論文にする上でも中心となって進めている。また、超新星重力波の円偏光についての検出可能性に関して、世界の独立したグループが行った3Dシミュレーションで得られた様々な重力波形に対して調べ、モデルには寄るが、コアの回転を持つモデルに関しては5kpc程度まで検出できることを示し、論文を投稿し、現在査読中である。また、前年度より準備されていた観測データの本研究のバースト解析サーバへの連続送信を稼働させた。国際観測網のデータを10秒前後の遅延時間で受信した。ラプラス変換を利用した短時間遷移信号の解析フィルタを開発し、重力波波形に対する基本的な挙動の評価も行った。
理論研究のハイライトとしては、20太陽質量をもつ大質量星の空間3次元の一般相対論的磁気流体シミュレーションを行い、ニュートリノ加熱とともにコアの高速自転によって増幅された磁場が爆発を後押しする、磁気駆動爆発が起こることを示した。ジェット状の爆発に伴い、いわゆるメモリー効果を伴う重力波波形が生成されることを突き止め、現在、論文として発表準備中である。昨年度から引き続き星震学の線形解析法を原始中性子星に適応する手法を開発し、本年度は3本の論文で重力波のモードの擬交差を利用したモード同定について、流体計算の次元が重力波の周波数を変えるか、一般相対論的なメトリック摂動の自由度が重力波の周波数を変えるかなどについて詳しく調べた。

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

本年度は、これまで開発を行ってきた超新星重力波の検出に向けたデータ解析用ソフトウェアを用い、2020年2月から2020年4月にわたって行われたLIGO、Virgo、KAGRAの試験観測のデータを用いて、実際のデータ解析を行うことができたことが進捗である。また、
超新星重力波の円偏光についての検出可能性に関して、世界の独立した超新星研究グループが行った3Dシミュレーションで得られた様々な重力波波形を世界に先駆けて網羅的に調べ、その観測可能性を精査できたのも成果である。また、ラプラス変換を利用した短時間遷移信号の解析フィルタを開発し、重力波波形に対する基本的な挙動の評価も行うこともできた。
理論研究においては、これまで特に「磁場」を含めた一般相対論的なニュートリノ輻射流体シミュレーションにおいては、その計算コストの高さから、ニュートリノ輸送法においてエネルギー方向に積分した、グレイ近似を用いたものが主流であった。この人為的な仮定のため、自転・磁場を伴い高速自転星の重力崩壊並びに、爆発に伴うニュートリノや重力波放射の定量的予測を難しくしていた。今回、フルに空間3次元でさらに、詳細なニュートリノ反応を含む自転磁場コアコラプスの計算を行うことで、非軸対称モードの長時間進化を明らかにすることが出来たのが大きな成果である。一般相対論的な磁気流体計算とセルフコンシステントなニュートリノ輻射輸送計算を両立したシミュレーションを行うことは、原始中性子星進化を定量的に正確に追うために不可欠であった。その意味で、本成果は、着実な数値コード開発の結果得られた成果であり、本研究計画が順調に進展していることを示すものである。

今後の研究の推進方策

これまで、超新星重力波の時間・周波数空間における特徴を明瞭に引き出す手法としてウィグナー・ビレ法、ならびに、ヒルベルトファン法を含むいくつかの新しい解析法の構築を行ってきた。本年度は、特に自転、磁場を伴う超新星爆発モデルから得られた重力波波形に対してこれらの解析を行い、重力波シグナルから、星の自転、磁場に関する情報に如何に迫れるか、詳しく調べる計画である。特に、重力崩壊直前のコアが高速自転さらには磁場を有する大質量星は、超高輝度超新星爆発や強磁場中性子星形成との関連が示唆され、そのダイナミクスを重力波から読み解くことは重要である。親星の質量を11から60太陽質量まで広く選び、系統的な3D超新星シミュレーションを行うことで、重力波・ニュートリノシグナルのカタログを作成し、その観測可能性を精査していく計画である。特に、LESA(自己維持的なレプトン放射非対称性)と呼ばれるニュートリノシグナルの時間変調現象が、近年の超新星理論の中で新たな謎として、その物理的機構を明らかにすることが焦眉の課題となっている。3D超新星モデルにおいて、特に、原始中性子星の対流現象を解析することで、LESAの謎に迫れると睨んでいる。この現象に関しても、重力波シグナルとの相関も含め、定量的に明らかにしていく計画である。
これまでの研究で、超新星爆発時に、コアが早く自転している場合、もしくはSASIと呼ばれる非軸対称モードが成長する時、超新星重力波が円偏光成分を持つことを指摘することが出来た。本年度は、自転に加え、磁場が加わった時に、円偏光成分が定量的にどのように変わるか、定量的に調べていく。また、上述の、系統的3D超新星モデルに対しても、投網式に、重力波円偏光の観測可能性、そこから得られる超新星爆発の物理について、詳しく調べ、その成果を論文としてまとめる計画である。

  • 研究成果

    (45件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (19件) (うち国際共著 13件、 査読あり 19件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 17件、 招待講演 5件)

  • [国際共同研究] アリゾナ州立大/バージニア工科大(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      アリゾナ州立大/バージニア工科大
  • [国際共同研究] マックスプランク研究所/ダルムシュタット工科大(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      マックスプランク研究所/ダルムシュタット工科大
  • [雑誌論文] Three-dimensional Hydrodynamics Simulations of Precollapse Shell Burning in the Si- and O-rich Layers2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Takashi , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei , Takahashi Koh , Nakamura Ko , Umeda Hideyuki
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 908 ページ: 44

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abd3a3

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Impact of binary interactions on the diffuse supernova neutrino background2021

    • 著者名/発表者名
      Horiuchi Shunsaku , Kinugawa Tomoya , Takiwaki Tomoya , Takahashi Koh , Kotake Kei
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 103 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.043003

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Three-flavor collective neutrino conversions with multi-azimuthal-angle instability in an electron-capture supernova model2021

    • 著者名/発表者名
      Zaizen Masamichi , Horiuchi Shunsaku , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei , Yoshida Takashi , Umeda Hideyuki , Cherry John F.
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 103 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.103.063008

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Detectability of standing accretion shock instabilities activity in supernova neutrino signals2020

    • 著者名/発表者名
      Lin Zidu , Lunardini Cecilia , Zanolin Michele , Kotake Kei , Richardson Colter
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 101 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.101.123028

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetorotational Explosion of a Massive Star Supported by Neutrino Heating in General Relativistic Three-dimensional Simulations2020

    • 著者名/発表者名
      Kuroda Takami , Arcones Almudena , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 896 ページ: 102

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab9308

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Time of flight and supernova progenitor effects on the neutrino halo2020

    • 著者名/発表者名
      Cherry John F. , Fuller George M. , Horiuchi Shunsaku , Kotake Kei , Takiwaki Tomoya , Fischer Tobias
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 102 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.023022

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Dimension dependence of numerical simulations on gravitational waves from protoneutron stars2020

    • 著者名/発表者名
      Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 102 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.023028

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Systematic Study on the Rise TimePeak Luminosity Relation for Bright Optical Transients Powered by Wind Shock Breakout2020

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Akihiro , Moriya Takashi J. , Takiwaki Tomoya
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 899 ページ: 56

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aba0ba

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Systematic investigation of the effect of 56Ni mixing in the early photospheric velocity evolution of stripped-envelope supernovae2020

    • 著者名/発表者名
      Moriya Takashi J , Suzuki Akihiro , Takiwaki Tomoya , Pan Yen-Chen , Blinnikov Sergei I
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 497 ページ: 16191626

    • DOI

      10.1093/mnras/staa2060

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Accuracy of the relativistic Cowling approximation in protoneutron star asteroseismology2020

    • 著者名/発表者名
      Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 102 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.063025

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Avoided crossing in gravitational wave spectra from protoneutron star2020

    • 著者名/発表者名
      Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 498 ページ: 35033512

    • DOI

      10.1093/mnras/staa2597

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 2D numerical study for magnetic field dependence of neutrino-driven core-collapse supernova models2020

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto J , Takiwaki T , Kotake K , Asahina Y , Takahashi H R
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 499 ページ: 41744194

    • DOI

      10.1093/mnras/staa3095

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors2020

    • 著者名/発表者名
      Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Aso Y , Bae S , et al.
    • 雑誌名

      Classical and Quantum Gravity

      巻: 37 ページ: 35004

    • DOI

      10.1088/1361-6382/ab5c95

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Application of independent component analysis to the iKAGRA data2020

    • 著者名/発表者名
      Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Asada H , Aso Y , Atsuta S , et al.
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2020 ページ: -

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa056

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Overview of KAGRA: Detector design and construction history2020

    • 著者名/発表者名
      Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Aso Y , Bae S , Bae Y , et al.
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa125

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Overview of KAGRA: KAGRA science2020

    • 著者名/発表者名
      Akutsu T , Ando M , Arai K , Arai Y , Araki S , Araya A , Aritomi N , Asada H , Aso Y , Bae S , et al.
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa120

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The status of KAGRA underground cryogenic gravitational wave telescope2020

    • 著者名/発表者名
      Akutsu T. , Ando M. , Araya A. , Aritomi N. , Asada H. , Aso Y. , Atsuta S. , Awai K. , Barton M. A. , Cannon K. , et al.
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 1342 ページ: 12014

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1342/1/012014

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Prospects for improving the sensitivity of the cryogenic gravitational wave detector KAGRA2020

    • 著者名/発表者名
      Michimura Yuta , Komori Kentaro , Enomoto Yutaro , Nagano Koji , Nishizawa Atsushi , Hirose Eiichi , Leonardi Matteo , Capocasa Eleonora , Aritomi Naoki , Zhao Yuhang , et al.
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 102 ページ: -

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.022008

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA2020

    • 著者名/発表者名
      Abbott B. P. , Abbott R. , Abbott T. D. , Abraham S. , Acernese F. , Ackley K. , Adams C. , Adya V. B. , Affeldt C. , et al.
    • 雑誌名

      Living Reviews in Relativity

      巻: 23 ページ: -

    • DOI

      10.1007/s41114-020-00026-9

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 短時間ラプラス変換を用いた重力波波形の解析と信号探索2021

    • 著者名/発表者名
      土田怜, 神田展行, 伊藤洋介, 澤田崇広, KAGRA Collaboration
    • 学会等名
      第76回年次大会(2021年)
    • 国際学会
  • [学会発表] 時間周波数領域での重力波観測信号解析の比較モニターの開発2021

    • 著者名/発表者名
      小林佑一朗, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      第76回年次大会(2021年)
    • 国際学会
  • [学会発表] KAGRA O3GKの較正データの安定性・ガウス性評価2021

    • 著者名/発表者名
      森末希, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      第76回年次大会(2021年)
    • 国際学会
  • [学会発表] Hilbert-Huang 変換を用いた重力崩壊型超新星爆発由来の重力波データ解析2021

    • 著者名/発表者名
      武田 芽依
    • 学会等名
      日本天文学会2021年春季年会
    • 国際学会
  • [学会発表] Correlated gravitational wave and neutrino signals from rapidly rotating stellar core collapse2021

    • 著者名/発表者名
      柴垣翔太
    • 学会等名
      令和2年度 国立天文台天文シミュレーションプロジェクト ユーザーズミーティング
  • [学会発表] Correlation between gravitational wave and neutrino from rapidly rotating stellar core collapse2021

    • 著者名/発表者名
      Shota Shibagaki
    • 学会等名
      Fourth Annual Symposium of the Innovative Area "Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis"
    • 国際学会
  • [学会発表] 超新星とニュートリノ2020

    • 著者名/発表者名
      固武 慶
    • 学会等名
      日本物理学会秋季年会 セッション "宇宙と素粒子の残された謎の解明に向けた,次世代ニュートリノ観測・陽子崩壊実験(ハイパーカミオカンデ)"(オンライン)
    • 招待講演
  • [学会発表] 超新星ニュートリノ理論レビュー2020

    • 著者名/発表者名
      固武 慶
    • 学会等名
      CRCタウンミィーティング
    • 招待講演
  • [学会発表] Historical review on the theory of core-collapse supernovae2020

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      Supernova workshop 2020
    • 招待講演
  • [学会発表] 超新星爆発における輸送現象2020

    • 著者名/発表者名
      滝脇知也
    • 学会等名
      第37回プラズマ核融合学会年会
  • [学会発表] Summary report from C012020

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Takiwaki
    • 学会等名
      GW genesis
    • 国際学会
  • [学会発表] 時間-周波数領域でのブラックホール準固有振動重力波の解析2020

    • 著者名/発表者名
      小林佑一朗, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] ガンマ線バースト観測網を外部トリガーとした重力波観測信号モニターの開発2020

    • 著者名/発表者名
      大橋朋弥, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] Hilbert-Huang変換を用いた過渡的な重力波信号のリアルタイム解析2020

    • 著者名/発表者名
      武田芽依, KAGRA Collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] KAGRA観測運転における低遅延パイプライン2020

    • 著者名/発表者名
      澤田崇広, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] ラプラス変換を利用した新しい重力波解析手法2020

    • 著者名/発表者名
      神田展行, 土田怜, 伊藤洋介, 澤田崇広
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] 重力波波形に対するラプラス変換による解析の適用と性能評価2020

    • 著者名/発表者名
      土田怜, 神田展行, 伊藤洋介, 澤田崇広
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of Hilbert-Huang Transform to real-time analysis of transitional gravitational-waves2020

    • 著者名/発表者名
      Mei Takeda, KAGRA Collaboration
    • 学会等名
      The 26th KAGRA Face-to-Face meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Data analysis of GWs from core-collapse supernova with Hilbert-Huang Transform2020

    • 著者名/発表者名
      M. Takeda, Y. Watanabe, Y. Hiranuma, R. Negishi, K. Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y. Sakai, T. Sawada, H. Takahashi, T. Takiwaki, S. Tsuchida, K. Hayama, T. Yokozawa
    • 学会等名
      The 7 th KAGRA international workshop
  • [学会発表] Report from Operations2020

    • 著者名/発表者名
      T. Sawada, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      The 26th KAGRA Face-to-Face Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] KAGRA-Calibration at O3GK2020

    • 著者名/発表者名
      T. Sawada, KAGRA collaboration
    • 学会等名
      2020 LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Status of KAGRA2020

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Kanda, on behalf of KAGRA collaboration
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Gravitation, Astrophysics and Cosmology (ICGAC14)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Gravitational wave and neutrino signals from rapidly rotating stellar core collapse2020

    • 著者名/発表者名
      Shota Shibagaki
    • 学会等名
      Division of Science + Center for Computational Astrophysics workshop 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高速自転する大質量星の重力崩壊における重力波とニュートリノ2020

    • 著者名/発表者名
      柴垣翔太
    • 学会等名
      第33回理論懇シンポジウム

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公開日: 2021-12-27  

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