６次元ボルツマン方程式により探る多次元超新星爆発メカニズム

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05093
• 研究機関: 沼津工業高等専門学校
• 研究代表者: 住吉 光介 沼津工業高等専門学校, 教養科, 教授 (30280720)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 超新星 / ニュートリノ / 爆発 / 理論天文学 / 理論核物理 / 輻射輸送 / 計算科学 / スーパーコンピュータ

研究実績の概要

超新星爆発は、重い星が進化を遂げた最期に起きる華々しい天体現象であり、その爆発メカニズムの鍵が何であるか多くの課題が残されている。本研究の目的は、流体力学とニュートリノ輻射輸送を厳密に記述して、原子核・ニュートリノ物理の不定性のもとで爆発現象を明らかにすることにある。６次元ボルツマン方程式を直接計算できることが本研究の強みである。
最終年度の研究では、ニュートリノ輻射流体計算コードによる超新星コアの数値シミュレーションの応用を進めて、高密度天体の反跳現象を発見した。計算コードの一般相対論的な拡張を行い、ニュートリノ放射の非対称性のもとで起こる流体力学的不安定性により、バウンス直後に誕生したばかりの原始中性子星が反跳を受けて早期に移動を始める現象を明らかにした。さらに、超新星ニュートリノバーストの検出イベント数および重力波の基準振動の予測を行い、観測から中心天体の情報を引き出す方法について提案を行った。また、我々の計算で初めて得られた多次元ニュートリノ輻射データの解析により、超新星ニュートリノにおいて集団ニュートリノ振動が起きることを世界で初めて発見して、その出現条件を明らかにした。並行して、超新星爆発シミュレーションにおいて必要な高温高密度核物質の状態方程式データテーブルを最新の理論・観測・実験データに基づいたものに改良を行って全世界に公開し、超新星爆発・ニュートリノ放出への影響を明らかにした。本研究の最終段階となる３次元空間における超新星コアバウンス計算を実現して、６次元空間でのニュートリノ輻射流体の振る舞いを初めて明らかにした。全体として、コアバウンス直後から核物理・ニュートリノ輻射の多次元的な影響が出現し、その初期の違いがのちの爆発の可否に影響を及ぼしていることを新たな知見として得た。これらの成果について、国内・国際会議による口頭発表、査読論文による発表を行なった。

研究成果

• [国際共同研究] Princeton University/University of New Mexico(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Princeton University/University of New Mexico
• [国際共同研究] Nankai University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Nankai University
• [国際共同研究] Astro-Particule et Cosmologie (APC)(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Astro-Particule et Cosmologie (APC)
• [雑誌論文] Nuclear statistical equilibrium equation of state with a parametrized Dirac?Br?ckner Hartree?Fock calculation (2020)
  • 著者名/発表者名: Furusawa Shun、Togashi Hajime、Sumiyoshi Kohsuke、Saito Koichi、Yamada Shoichi、Suzuki Hideyuki
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 ページ: 013D05-013D05
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz135
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast collective neutrino oscillations inside the neutrino sphere in core-collapse supernovae (2020)
  • 著者名/発表者名: Delfan Azari Milad、Yamada Shoichi、Morinaga Taiki、Nagakura Hiroki、Furusawa Shun、Harada Akira、Okawa Hirotada、Iwakami Wakana、Sumiyoshi Kohsuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: 023018-023018
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.023018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fast neutrino flavor conversion modes in multidimensional core-collapse supernova models: The role of the asymmetric neutrino distributions (2020)
  • 著者名/発表者名: Abbar Sajad、Duan Huaiyu、Sumiyoshi Kohsuke、Takiwaki Tomoya、Volpe Maria Cristina
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: 043016-043016
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.043016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Symmetry Energy on the Equation of State for Simulations of Core-collapse Supernovae and Neutron-star Mergers (2020)
  • 著者名/発表者名: Shen Hong、Ji Fan、Hu Jinniu、Sumiyoshi Kohsuke
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 891 ページ: 148～148
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab72fd
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Linear analysis of fast-pairwise collective neutrino oscillations in core-collapse supernovae based on the results of Boltzmann simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: Delfan Azari Milad、Yamada Shoichi、Morinaga Taiki、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Nagakura Hiroki、Sumiyoshi Kohsuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 ページ: 103011-103011
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.103011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional Boltzmann-hydro Code for Core-collapse in Massive Stars. III. A New Method for Momentum Feedback from Neutrino to Matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagakura Hiroki、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 878 ページ: 160～160
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab2189
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande: Expected Event Number over 10 s (2019)
  • 著者名/発表者名: Suwa Yudai、Sumiyoshi Kohsuke、Nakazato Ken’ichiro、Takahira Yasufumi、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Wendell Roger A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 881 ページ: 139～139
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab2e05
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the occurrence of fast neutrino flavor conversions in multidimensional supernova models (2019)
  • 著者名/発表者名: Abbar Sajad、Duan Huaiyu、Sumiyoshi Kohsuke、Takiwaki Tomoya、Volpe Maria Cristina
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 043004-043004
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.100.043004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Possible Early Linear Acceleration of Proto-neutron Stars via Asymmetric Neutrino Emission in Core-collapse Supernovae (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagakura Hiroki、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 880 ページ: L28～L28
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab30ca
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Determination of properties of protoneutron stars toward black hole formation via gravitational wave observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Sotani Hajime、Sumiyoshi Kohsuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 083008-083008
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.100.083008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of Density Dependence of Symmetry Energy in Hot and Dense Matter for Supernova Simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: Sumiyoshi Kohsuke、Nakazato Ken’ichiro、Suzuki Hideyuki、Hu Jinniu、Shen Hong
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 887 ページ: 110～110
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab5443
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Neutrino emission and equation of state in core collapse supernovae (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sumiyoshi
  • 学会等名: Microphysics In Computational Relativistic Astrophysics (MICRA) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Core collapse supernova simulations with full Boltzmann transport -status report of group C02 of GW-genesis- (part 1) (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sumiyoshi
  • 学会等名: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae
  • 国際学会
• [学会発表] 超新星物質とニュートリノ (2019)
  • 著者名/発表者名: 住吉光介
  • 学会等名: 高塚さんを偲ぶ研究会―高密度ハドロン・クォーク物質の諸相と中性子星の構造・進化―
  • 招待講演
• [学会発表] 原子核から超新星爆発の世界を探る (2019)
  • 著者名/発表者名: 住吉光介
  • 学会等名: 2019年度四国地区理論物理学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 超新星爆発の世界を探る ～原子核から星まで～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 住吉光介
  • 学会等名: 物理科学の最前線
  • 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] The Evolution of Massive Stars and Formation of Compact Stars: from the Cradle to the Grave (2020)
• [学会・シンポジウム開催] Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (2019)