多様な爆発現象を用いた初期宇宙における星形成と巨大ブラックホールの起源の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J02951
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 仲内 大翼 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: 恒星風

研究実績の概要

まず初めにWolf-Rayet星について研究を行った．本研究では光学的に厚い星風と滑らかに接続されたWR星のモデルを構築し, 表面温度がどのような値になるかを計算した．また質量放出率も計算した．計算の結果得られた星風の速度や質量放出率は観測と同程度の値であった．また，質量放出率と星光度の間には(質量放出率) 比例 (星光度の1.2乗)という関係が成立することがわかった．この関係式は観測的に得られたものと一致する．表面温度は，従来のWR星モデルに比べれば観測に近い値をとるが，依然としてやや高い値になることがわかった．本モデルでは，遷音速点よりも遠方の構造を求める際に単純なモデルを仮定したことに，原因があると考えられる．この点については今後の改善が求められる．
次に衝撃波圧縮された低金属度ガスの熱進化について研究を行った. 宇宙初期の銀河では，恒星風や超新星爆発，銀河へのガス流入に伴って衝撃波の発生が，またそれにより圧縮されたガスからの星形成が期待される．そこで衝撃波圧縮された低金属度ガスの熱進化を様々な条件下で計算し，太陽質量以下の星が形成される条件を調べた．衝撃波圧縮されたガスでは初め等圧的に冷却が進み，やがて十分冷却が進んだ層で重力的な不安定性により分裂片が形成する．その後分裂片は自己重力的に収縮を進めていく．計算の結果，ダストの存在が熱進化や分裂片質量に大きな影響を与えることがわかった．実際，ダストが存在しない場合，衝撃波圧縮により形成される分裂片質量は，いくら金属度が高くなっても10太陽質量を下回ることはない. 一方ダストが存在する場合，ダストの冷却に起因したガスの再分裂が期待されるため，ガス金属度が十万分の一太陽金属度であっても，太陽質量以下の分裂片が形成されることがわかった．

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

今年度はまず，進化の進んだ大質量星であるWolf-Rayet星及び星風の構造について研究を行った．星風と滑らかに接続されたWolf-Rayet星モデルを構築し，星光度と質量放出率や表面温度との関係を計算した．また観測量との比較を行った．本研究の結果をもとに研究会発表や論文の出版を行うことができた．次に宇宙初期の銀河における星形成について研究を行った．銀河へのガス流入や超新星爆発に伴う衝撃波により圧縮された低金属度ガスの熱進化を計算した．そして，そのようなガスから太陽質量以下の星が形成される条件を導いた．本研究の結果をもとに研究会発表を行った．またそれらを現在論文にまとめている．これらを鑑みるに，おおむね順調に進展していると言える.

今後の研究の推進方策

29年度は, 衝撃波圧縮を受けたガス雲の熱進化をone zone modelにより計算した. この手法では冷却過程や化学反応の過程を詳細に計算することができるが, 非一様な密度, 温度構造や乱流状態といった多次元の構造を調べることができない. 多次元の構造を扱うためには, 三次元流体計算により, 衝撃波圧縮を受けた低金属度ガス雲の熱進化を調べる必要がある. そのような先行研究では自己重力の効果を無視した計算を行っているため, 自己重力的収縮を始めるガス分裂片の形成までは調べられていない. また考慮している冷却過程や化学反応についても一部不足が認められる. そこで今後は, 第二世代星の母体となるガス雲の形成過程やその性質を明らかとするために, 衝撃波圧縮を受けた低金属度ガス雲の熱進化を自己重力を考慮した多次元流体計算を用いて調べる. その際には詳細な冷却過程や化学反応の過程を考慮して計算を行う. 熱的不安定性に起因した非一様な密度, 温度構造, 及び乱流状態にある中で形成され, 自己重力収縮を始めるガス分裂片の質量を評価する.

研究成果

• [雑誌論文] Helium Star Models with Optically Thick Winds: Implications for the Internal Structures and Mass-loss Rates of Wolf-Rayet Stars (2018)
  • 著者名/発表者名: D. Nakauchi, H. Saio
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 852 ページ: 126-138
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa9f2d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 衝撃波圧縮を受けた低金属度ガス雲の熱進化と低質量分裂片の形成について (2018)
  • 著者名/発表者名: 仲内大翼，大向一行, Raffaella Schneider
  • 学会等名: 初代星研究会
• [学会発表] 衝撃波圧縮を受けた低金属度ガス雲の熱進化と分裂片質量について (2018)
  • 著者名/発表者名: 仲内大翼，大向一行, Raffaella Schneider
  • 学会等名: 日本天文学会 2018年春季年会
• [学会発表] Wolf-Rayet星の構造と質量放出率について (2017)
  • 著者名/発表者名: 仲内大翼，斉尾英行
  • 学会等名: 日本天文学会 2017年秋季年会
• [学会発表] Wolf-Rayet星及び星風の構造と質量放出率について (2017)
  • 著者名/発表者名: 仲内大翼，斉尾英行
  • 学会等名: 理論懇シンポジウム