| 研究課題/領域番号 |
19J21974
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
中塚 洋佑 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 重力波 / 原始ブラックホール / 初期宇宙論 / ノントポロジカルソリトン |
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| 研究実績の概要 |
研究の目標である原始ブラックホールや重力波を用いた初期宇宙の観測可能性について、2019年度は以下の進展があった。
1つ目は、原始ブラックホール形成における非線形項の評価である。原始ブラックホールは、初期宇宙で大きな密度ゆらぎが存在する場合に形成されることが知られている。原始ブラックホール形成の判定では、密度が非常に大きいため非線形効果の取り扱いが必要になる。本研究では、非線形効果を評価することで、原始ブラックホールを作るために必要な密度ゆらぎのパワースペクトルが、これまでの研究で使われた値よりも２倍程度大きくなければならないことを明らかにした。この結果は一般的な効果であり、今後の原始ブラックホール形成模型の研究において、正しい形成量の判定のために必要となる。
２つ目は、ディラトンとゲージ場のダイナミクスを利用した新規の原始ブラックホール形成模型を作成し、そのモデルの観測可能性を議論した。この研究では特に、２種類の重力波が現れる点が特徴的である。一つは、ゲージ場が直接つくる重力波であり、もう一つはゲージ場が作った密度ゆらぎを経由して作られる重力波である。それらの検出可能性について研究を行った。
更に、2019年度は研究の幅を広げるために、古典格子計算の技術を学んだ。特に、Q-ballという局在化したスカラー場が暗黒物質になるシナリオに関して、観測の制限の一つを数値計算により再検証した。
以上の成果に関連して、３つの論文を投稿し、国際研究会で発表を行ったことが2019年度の研究実績の概要である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
概要で述べたように、2019年度では非線形性の評価と新規の原始ブラックホール形成模型の作成を行ったことが研究実績となっている。非線形性の評価は、原始ブラックホール形成率の計算において見落とされていた重要な効果であり、原始ブラックホール形成模型を扱う上でも避けては通れない影響を持つ。また原始ブラックホール形成模型の作成では、ディラトンとゲージ場のダイナミクスを利用した。以前は、ディラトンとゲージ場を用いた原始ブラックホール形成は現象論的に難しいと考えられていたが、ディラトンとゲージ場の結合項を再考することで、現在の観測と矛盾しない模型の作成が可能となった。更に、このモデルから予言される重力波に関する計算も行ったことで、将来の観測可能性を調べた。どちらの研究も、将来の重力波干渉計を用いた重力波物理や、原始ブラックホールの研究に寄与した。
更に計画していた研究以外にも、自身の研究の幅を広げることに成功したのが、概要に述べた古典格子計算による業績である。今回の研究で扱ったQ-ballは、その形成時に重力波を放出する可能性があることも知られており、現象としても興味深い対象である。古典格子計算を身に着けたことで、次年度からも新たな研究が可能になることが期待される。
以上から、2019年度では計画以上の成果を上げることができた、と結論づけることができる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度は、初年度の研究を発展させると同時に、自身の研究分野の幅を広げることが目的である。
初年度の研究を踏まえて、次のような研究を行うつもりである。初年度で調べた原始ブラックホール形成率の計算に関しては、他の手法も提案されている。それらの手法間の比較を行うことで、本質的な効果を取り込んだ簡潔な形成率の表式を提案したい。形成率に関する議論を整理することで、原始ブラックホール形成模型の研究を行う上での基盤を提供したいと考えている。更にそれに基づき、ブラックホール連星形成の分布に関しても影響を調べていく。また前年度に行ったゲージ場と結合したスカラー場を用いた原始ブラックホール形成モデルに関して、フォローアップを行う。このモデルでは、ゲージ場を経由して重力波が作られることが予言されており、その重力波の精密な計算を行うことが前年度の課題として残っていた。関連する模型でも重力波の生成が予言されており、それらの計算に関しても関心を持って取り組むことが考えられる。
これらの研究と並行して、昨年度に学習した格子計算の技術を本年度でも活用していく。具体的には、アクシオン型の暗黒物質について初期宇宙でのダイナミクスを調べていく。また、更に研究の幅を広げるため、ドイツのマックスプランク研究所での３ヶ月程度の滞在を予定している。コロナ禍が収束次第、所長の小松英一郎氏の下で宇宙背景輻射の研究を進める。
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