銀河形成シミュレーションとすばる望遠鏡PFSで探る銀河の化学動力学進化史

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21J00153
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 平居 悠 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(CPD)
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2026-03-31
• キーワード: 銀河考古学 / 銀河形成 / 銀河系 / 矮小銀河 / 金属欠乏星 / 元素合成 / rプロセス / 化学進化

研究実績の概要

ユーロピウム、金、プラチナなどのrプロセスと呼ばれる元素合成過程で合成される元素を多く持つ星（r-II星）は、天の川銀河の衛星銀河合体史、重元素合成史の情報を保存している。近年の観測により、r-II星には、似た動力学的性質を持つ集団があることが明らかになった。これらは、天の川銀河に過去に降着した衛星銀河の痕跡の可能性がある。しかし、r-II星が天の川銀河形成史の中でどのように形成されたのかは明らかになっていなかった。
本研究では、r-II星の形成環境を明らかにすることを目的とする。本年度は、ガス質量分解能1万太陽質量、スナップショット間隔1000万年の天の川銀河形成シミュレーションを実施した。このシミュレーションで得られたデータを解析すると、金属量が太陽の300分の１以下で、ユーロピウムと鉄の比が太陽の5倍以上の星（r-II星）の9割以上が、宇宙誕生から40億年以内に天の川銀河に降着した矮小銀河で形成されたことが明らかになった。一方、金属量の高いr-II星の多くは、天の川銀河本体の局所的にrプロセス元素に富んだガス塊から形成された。低金属量のr-II星の運動を調べると、天の川銀河ハロー星と似た速度分布を示した。さらに、同じ矮小銀河で形成されたr-II星の元素組成を調べると、金属量の分散は小さかったものの、ユーロピウムと鉄の比にはばらつきがあった。これらの結果は、これまでに観測で報告された結果と一致した。本研究により、r-II星は、宇宙初期の天の川銀河への矮小銀河降着史を理解するための手掛かりとなるうることが示された。

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

研究は計画通り進行した。2022年度は、複数のモデルについて天の川銀河形成シミュレーションを実施した。 計算は、質量分解能10000太陽質量のモデルが3モデル、質量分解能1000太陽質量のモデルが1モデル完了している。シミュレーションのデータ解析は、1モデルについてハローの合体史、星の化学動力学的性質の導出まで終了した。これに基づき、ユーロピウムを多く持つ星の形成過程を明らかにした。本成果は論文として出版済みである。この他、星団形成、若い銀河の化学組成についての研究を共同で進め、共著論文として出版した。

今後の研究の推進方策

現在存在する矮小銀河と過去に天の川銀河に降着した天の川銀河構成要素の関係を明らかにする。すばる望遠鏡Prime Focus Spectrograph (PFS) 観測開始に向けた準備を進める。2022年度までに行ったシミュレーションから天の川銀河周囲に存在する矮小銀河の星の速度分布と元素組成を示す。これらをすばる望遠鏡PFSと直接比較可能な形にまとめ、天の川銀河周囲の矮小銀河の化学動力学進化史に対する天の川銀河との相互作用の影響を明らかにすることを目指す。
矮小銀河で形成され、現在は天の川銀河の一部となっている星にも着目する。そのために、天の川銀河形成シミュレーションを用いて、これらの星が形成されたハロー質量を解析する。これらの星を赤方偏移0まで追跡し、元素組成 (α元素、rプロセス元素)及び動力学的性質 (速度、角運動量、軌道運動エネルギー)を解析する。これを観測で同定した矮小銀河由来の星と比較する。これにより、矮小銀河が天の川銀河に降着した時期・質量ごとに見られる特徴的な化学動力学的性質を示す。以上から、現在まで天の川銀河と合体せずに存在している矮小銀河と過去に降着した矮小銀河の進化史にどのような違いがあるのかを明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] ノートルダム大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ノートルダム大学
• [国際共同研究] 中山大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 中山大学
• [雑誌論文] Formation process of the Orion Nebula Cluster (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujii Michiko S.、Wang Long、Saitoh Takayuki R.、Hirai Yutaka、Shimajiri Yoshito
  • 雑誌名: Proceedings of the International Astronomical Union 巻: 16 ページ: 258～261
  • DOI: 10.1017/S1743921322001508
  • 国際共著
• [雑誌論文] Predicting the Expansion of Supernova Shells Using Deep Learning toward Highly Resolved Galaxy Simulations (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirashima Keiya、Moriwaki Kana、Fujii Michiko、Hirai Yutaka、Saitoh Takayuki、Makino Junichiro
  • 雑誌名: Proceedings of the International Astronomical Union 巻: 16 ページ: 209～214
  • DOI: 10.1017/S1743921322001739
• [雑誌論文] Origin of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirai Yutaka、Beers Timothy C、Chiba Masashi、Aoki Wako、Shank Derek、Saitoh Takayuki R、Okamoto Takashi、Makino Junichiro
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 517 ページ: 4856～4874
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto, A., Ouchi, M., Nakajima, K., Kawasaki, M., Murai, K., Motohara, K., Harikane, Y., Ono, Y., Kushibiki, K., Koyama, S., Aoyama, S., Konishi, M., Takahashi, H., Isobe, Y., Umeda, H., Sugahara, Y., Onodera, M., Nagamine, K., Kusakabe, H., Hirai, Y., et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 941 ページ: 167～167
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9ea1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SIRIUS Project - IV. The formation history of the Orion Nebula Cluster driven by clump mergers (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujii Michiko S、Wang Long、Hirai Yutaka、Shimajiri Yoshito、Kumamoto Jun、Saitoh Takayuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 514 ページ: 2513～2526
  • DOI: 10.1093/mnras/stac1496
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SIRIUS Project - V. Formation of off-centre ionized bubbles associated with Orion Nebula Cluster (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujii Michiko S、Hattori Kohei、Wang Long、Hirai Yutaka、Kumamoto Jun、Shimajiri Yoshito、Saitoh Takayuki R
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 514 ページ: 43～54
  • DOI: 10.1093/mnras/stac808
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Formation of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy (2023)
  • 著者名/発表者名: 平居悠
  • 学会等名: 2022年度国立天文台CfCA ユーザーズミーティング
• [学会発表] SIRIUS Project: Star-by-Star Simulations of Star Clusters and Galaxies, (2023)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Hirai, Michiko S. Fujii, Takayuki R. Saitoh
  • 学会等名: The 241st meeting of the American Astronomical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of r-process elements and the Milky Way formation (2022)
  • 著者名/発表者名: 平居悠
  • 学会等名: 宇核連-RCNP研究会「宇宙核物理の展開」(ANP2022)
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of r-process enhanced stars in cosmological zoom-in simulations of Milky Way-like galaxies (2022)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Hirai, Timothy C. Beers, Masashi Chiba, Wako Aoki, Derek Shank, Takayuki R. Saitoh, Takashi Okamoto, Junichiro Makino
  • 学会等名: The 240th meeting of the American Astronomical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical models of the r-process (2022)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Hirai
  • 学会等名: RR Lyrae Stars, Galactic Structure and Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Origin of r-process enhanced stars in simulations of Milky Way-like galaxies, (2022)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Hirai, Timothy C. Beers, Masashi Chiba, Wako Aoki, Derek Shank, Takayuki R. Saitoh, Takashi Okamoto, Junichiro Makino
  • 学会等名: 2022 JINA-CEE Frontiers in Nuclear Astrophysics
  • 国際学会
• [備考] 貴金属に富んだ星々は100億歳 世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20221114-12355.html
• [備考] 貴金属に富んだ星々は100億歳ー世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功ー
  • URL: https://www.nao.ac.jp/news/science/2022/20221114-cfca.html
• [備考] 貴金属に富んだ星々は100億歳 世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功
  • URL: https://www.jicfus.jp/jp/press221114/
• [備考] 新しい高精度シミュレーションが明らかにした星団形成の現場
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20220608-12126.html