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2022 年度 実施状況報告書

宇宙の初代星の超新星爆発の特性と重力波源となるブラックホール生成との関連を探る

研究課題

研究課題/領域番号 20K04024
研究機関東京大学

研究代表者

野本 憲一  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (90110676)

研究分担者 鈴木 知治  中部大学, 人間力創成教育院, 教授 (20280935)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード初代星 / 超新星 / ブラックホール / 重力波 / 元素の起源
研究実績の概要

宇宙の初代星がどのような典型的な質量を持ち、どのような超新星爆発を起こして元素合成をしたかを解明することは、現在の天文学の最も重要な課題の一つである。本研究では、重力波で観測されている質量の大きいブラックホールと高度に明るく輝く新しいタイプの超新星とが、初代星の正体とその爆発の手がかりを提供しているというアイデアに基づき、これらのブラックホールや特異な超新星の親星の性質を明らかにし、初代星の質量と進化を解明することを目的とした。
2022年度は、ブラックホールの形成に伴うジェット状の超新星爆発の2次元シミュレーションを行い、元素合成の特徴を見出すことに焦点を当てた。爆発の親星としては、金属量ゼロで初期質量が太陽の40倍という大質量星を採用した。シミュレーションでは、ジェットのエネルギーと巾をパラメータとし、ジェットが親星の中を伝搬しつつ元素合成を行う過程を計算し、次の量のエネルギー依存性を調べた。(1) 爆発によって放出される質量とブラックホールとなる質量、(2) 56Ni の生成量、(3) Sc-Ti-V の生成量の相関、(4) Zn/Fe比。同じエネルギーの爆発では、1次元球対称の爆発モデルと比べると、56Niの生成量やZn/Fe比は大きな値が得られる。特に金属欠乏星 HE1327+2326の紫外線観測で得られた大きなZn/Fe 比が得られたことは、この星の元素組成に対するジェット状の爆発の寄与を強く示唆するものである。初代星の質量、回転、爆発メカニズムの解明に重要な手がかりが得られた。

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

2次元の流体計算コードを特殊相対性理論のコードに拡張することに成功した。その結果、光速に近い速度を持つような高いエネルギーの爆発とそれに伴う元素合成のシミュレーションを行うことが可能になった。

今後の研究の推進方策

ブラックホールの形成に伴うジェット状の爆発のシミュレーションを、他の親星に対しても行い、元素合成の特徴と金属欠乏銀河の化学組成の観測量との比較を行う。特に金属欠乏銀河の大きなFe/O 比、小さなS/O, Ar/O比の起源の解明によって、初代星の超新星爆発が、重力崩壊型か電子陽電子生成型かを明らかにすることを目ざす。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナ・ウイルスの蔓延により、出席・発表を予定していた国際会議の開催が中止となったため。次年度は国際会議が開催されれば出席・発表のための旅費、数値シミュレーションの増強のための物品費の使用を計画する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 5件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (2件)

  • [雑誌論文] Ambipolar Heating of Magnetars2023

    • 著者名/発表者名
      Tsuruta Sachiko、Kelly Madeline J.、Nomoto Ken’ichi、Mori Kanji、Teter Marcus、Liebmann Andrew C.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 945 ページ: 151~151

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acbd38

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Machine Learning Detects Multiplicity of the First Stars in Stellar Archaeology Data2023

    • 著者名/発表者名
      Hartwig Tilman、Ishigaki Miho N.、Kobayashi Chiaki、Tominaga Nozomu、Nomoto Ken’ichi
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 946 ページ: 20~20

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acbcc6

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrodynamic simulations of electron-capture supernovae: progenitor and dimension dependence2022

    • 著者名/発表者名
      Zha Shuai、O’Connor Evan P、Couch Sean M、Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 513 ページ: 1317~1328

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1035

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] MUSSES2020J: The Earliest Discovery of a Fast Blue Ultraluminous Transient at Redshift 1.0632022

    • 著者名/発表者名
      Jiang Jian、Yasuda Naoki、Maeda Keiichi、Tominaga Nozomu、Doi Mamoru、Ivezic Zeljko、Yoachim Peter、Uno Kohki、Moriya Takashi J.、Kumar Brajesh、Pan Yen-Chen、Tanaka Masayuki、Tanaka Masaomi、Nomoto Ken’ichi
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 933 ページ: L36~L45

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac7390

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The late-time light curves of Type Ia supernovae: confronting models with observations2022

    • 著者名/発表者名
      Tiwari Vishal、Graur Or、Fisher Robert、Seitenzahl Ivo、Leung Shing-Chi、Nomoto Ken’ichi、Perets Hagai Binyamin、Shen Ken
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 515 ページ: 3703~3715

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1618

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Mixing-Fallback超新星爆発モデルで探る極金属欠乏銀河の豊富な鉄の起源2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺くりあ
    • 学会等名
      日本天文学会2023年春季年会
  • [学会発表] 高い鉄酸素比を持つ極金属欠乏銀河の元素組成比とその起源2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺くりあ
    • 学会等名
      日本天文学会2022年秋季年会

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公開日: 2023-12-25  

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