一般相対論的輻射流体によるブラックホール超臨界降着流と超大質量星の研究

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03638
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 梅村 雅之 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (70183754)
• 研究分担者: 高橋 労太 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (40513453)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 宇宙物理学

研究実績の概要

平成29年度は，一般相対論的輻射流体輸送コードARTISTの開発を進め，相対論的な拡散を扱う新たなコード開発を行った。ARTISTは，梅村らが開発した非相対論的な6次元輻射輸送コードARTの計算手法を，一般相対論的な時空計量に適用したものである。この輻射輸送コードは，測地線に沿って光の軌跡を時間依存で解くため，因果律が厳密に満たされ，光線の湾曲，時空の引きずり，重力赤方偏移等の一般相対論効果を正しく扱うことが可能である。また，これまでの近似法のように波面の衝突は起こらず，波として交差することが可能である。厳密なレイトレーシングコードMASTERを開発し，ARTISTによって計算した結果を，比較した結果，非常に良い一致を示し，ARTISTが輻射伝搬を正確に追えていることを確認できた。このコードを用いることによって，超臨界降着流におけるブラックホール近傍での光子捕獲を正確に扱うことができるようになる。
超臨界降着流の計算においては，光子捕獲が起こる光学的に厚い領域と光子の脱出が起こる光学的に薄い領域を同時に扱う必要がある。光学的に十分厚い領域では，光子は多重散乱によって拡散する。一方，光学的に薄い領域に入ると，平均自由行程以内で光子は脱出する。これまでのFLD法（フラックス制限拡散近似）では，光学的に薄い部分の輻射輸送は解かず，フラックス制限関数によって近似してきたが，この方法は相対論的には因果律を破るため，因果律を保持する相対論的拡散近似法を開発を進め，固定時空（Kerr時空）の下で一般相対論的輻射輸送計算コードを改良し，光学的に厚い領域と薄い領域とを分けて扱うことができるように改良した。

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

相対論的拡散近似法の開発を進めた結果，因果律を保持する数学的な方法を見つけることができた。これを数値計算と比較した結果，高い精度で一致することが確認できた。この数学的な方法を用いることにより，相対論的輻射拡散を高速かつ正確に扱うことができる。そして，これを相対論的な流体計算と結合することで，拡散を入れた一般相対論的輻射流体力学が実現できる。

今後の研究の推進方策

因果律を保持する相対論的拡散近似法を，既に開発している共変形式の輻射輸送計算コードを結びつけ，光学的厚さの広いレンジに渡って適用可能な一般相対論的輻射輸送計算コードを完成させる。そして，大局的な一般相対論的輻射輸送計算で得られた局所ローレンツ系でのエディントン・テンソルをテトラド変換により曲率空間（リーマン空間）へ移し，一般相対論的流体方程式と結合することで，一般相対論的輻射流体コードを開発する。

研究成果

• [雑誌論文] Dust Coagulation Regulated by Turbulent Clustering in Protoplanetary Disks (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishihara, Takashi; Kobayashi, Naoki; Enohata, Kei; Umemura, Masayuki; Shiraishi, Kenji
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 854 ページ: id. 81, 16 pp
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa976
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Merger of Multiple Accreting Black Holes Concordant with Gravitational-wave Events (2018)
  • 著者名/発表者名: Tagawa, Hiromichi; Umemura, Masayuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 856 ページ: id. 47, 6 pp
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aab0a4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] First-principles study of the formation of glycine-producing radicals from common interstellar species (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato, Akimasa; Kitazawa, Yuya; Ochi, Toshiro; Shoji, Mitsuo; Komatsu, Yu; Kayanuma, Megumi; Aikawa, Yuri; Umemura, Masayuki; Shigeta, Yasuteru
  • 雑誌名: Molecular Astrophysics 巻: 10 ページ: 11-19
  • DOI: 10.1016/j.molap.2018.01.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GOTHIC: Gravitational oct-tree code accelerated by hierarchical time step controlling (2017)
  • 著者名/発表者名: Miki, Yohei; Umemura, Masayuki
  • 雑誌名: New Astronomy 巻: 52 ページ: 65-81
  • DOI: 10.1016/j.newast.2016.10.007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Systematic Identification of LAEs for Visible Exploration and Reionization Research Using Subaru HSC (SILVERRUSH). I. Program strategy and clustering properties of ~2000 Lyalpha emitters at z = 6-7 over the 0.3-0.5 Gpc^2 survey area (2017)
  • 著者名/発表者名: Ouchi, M.; Harikane, Y.; Shibuya, T.; Shimasaku, K.; Taniguchi, Y.; Konno, A.; Kobayashi, M.; Kajisawa, M.; Nagao, T.; Ono, Y.; Inoue, A.; Umemura, M.; Mori, M.; Hasegawa, K.; Higuchi, R.; Komiyama, Y.; Matsuda, Y.; Nakajima, K.; Saito, T.; Wang, S.,
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 ページ: id.S13
  • DOI: 10.1093/pasj/psx074
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A theoretical study of the formation of glycine via hydantoin intermediate in outer space environment (2017)
  • 著者名/発表者名: Kayanuma, Megumi; Kidachi, Kaori; Shoji, Mitsuo; Komatsu, Yu; Sato, Akimasa; Shigeta, Yasuteru; Aikawa, Yuri; Umemura, Masayuki
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 687 ページ: 178-183
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2017.09.016
  • 査読あり / オープンアクセス