研究課題
若手研究(B)
今年度はこれまでの初代星形成の研究の拡張、および新しい３次元計算コードの開発を研究実施計画に従って並行して進めた。初代星形成の研究では、宇宙論シミュレーションから星形成ガス雲のサンプルを100例以上採り、全ての場合で最終星質量が定まるまでの進化を計算することで、初めて星質量分布にせまる統計的な研究を行った。結果として、初代星の質量分布は数十から数百太陽質量にわたる幅広い分布を持つことを示した。この多様性の起源は星形成ガス雲の質量や角運動量の多様性を反映したものである。星質量のこれらの物理量に対する依存性も明らかにし、星形成のごく初期の進化から最終質量を与えるモデル化が可能であることを示した(Hirano et al. 2014)。また、超巨大ブラックホールの種形成の有力シナリオである"direct collapse説"に基づき、このとき予想される急速ガス降着する超大質量星の進化をはじめて星質量が10万太陽質量に至まで計算した。この間星の半径は非常に大きいまま進化し(supergiant protostar)、有効温度は１万度を上回ることがない。このため星の光度は非常に大きくなるにも拘らず、普通の初代星形成で予想されている紫外光フィードバックは働かない。ガス降着は阻害されずに進み、超大質量星形成が可能である道筋を示した。一方で星全光度は矮小銀河一つに匹敵するほど明るくなることから、JWSTによる将来観測でこうした天体を検出できることも予言した(Hosokawa et al. 2013)。3次元計算コードの開発は、publicのコードPLUTOをベースに新しく必要な化学反応ネットワークと紫外光放射輸送のモジュールを組み込んだ。電離領域の形成に伴う激しい原始星フィードバックの進化が３次元計算でも起きることがこれまでの計算で示されつつある。
2: おおむね順調に進展している
当初目標としていた金属量ゼロの初代星形成の統計的な研究は順調に計画通りに進み、論文として出版された。出版後まだ半年程度しか経過していないが、すでに20を超える引用数があり高い注目度を誇っている。一方で質量降着期の進化をこれまでの２次元計算で調べることに限界があることも同時に明らかになりつつあり、新しい３次元計算コード開発の必要性が改めて認識された。３次元計算コードの開発は、共同研究者の協力もありコードの骨子の部分の開発はあらかた終了し、いくつかのテスト計算を経て初期の結果が得られている。これまでの２次元計算では追うことのできなかった星周円盤での渦状腕による角運動量輸送、円盤の重力不安定による分裂、激しく時間変動するガス降着率とその下での原始星進化などを実際に調べることができるようになった。ただし、電離領域の形成をともなう激しい動的進化のoutlineはこれまでの２次元計算と同様になることも明らかになっており、３次元性が最終的に形成される星の質量にどのように影響を及ぼすのかについて、今後の研究でより詳しく明らかにしていきたい。
まず、新しく開発した３次元計算コードで得られた結果を論文にまとめて出版することを当面の目標とする。これまで比較的よく調べられている金属量ゼロのいわゆる初代星形成の場合を最初のターゲットにし、３次元性が進化に与える影響を詳しく吟味したい。今後の研究の拡張の方向性は主に2つあり、一つは超巨大ブラックホールの種形成への応用、もう一つは重元素量がわずかにある場合への拡張である。ブラックホールの種形成はいわゆる"direct collapse"シナリオで想定されている超大質量星の形成過程を３次元計算で追跡することが目標になる。このとき、星周囲には大質量ガス円盤が形成されることが予想されるが、この円盤の重力不安定性、分裂が起きるか否か、その結果もたらされる原始星の進化と原始星フィードバック効果、最終的に形成されるブラックホール質量の決定など未知の研究対象が豊富にある。重元素量を上げる効果を調べる研究は、初期宇宙での大質量星形成と銀河系での大質量星形成のギャップを埋めるのに直結する拡張であり、残り２年の研究期間で進めたい。３次元計算コードのベースになっているPLUTO codeは元々ドイツのグループにより銀河系での大質量星形成用に開発されたものであり、現在も彼らのコード開発は並行して行われている。我々が初代星形成用に組み込んだ化学反応と紫外光輸送のsolverを逆に彼らのコードに新しいルーチンとして組み込み、銀河系の大質量星形成の研究に活かす計画が進んでおり、銀河系での大質量星形成と初代星形成を同ベースのcodeでシミュレーションし、結果を比較することが近々可能になる。さらなる拡張として、これらの中間を埋める形で低金属量の大質量星形成研究を進める方針である。
当初の予算計画の誤差によるもの。少額のため文具購入などで消費することも出来たが、無理をして使うよりは次年度予算とあわせて有効に活用することにしました。500円なのでこれだけで何か特別な目的に使うことは難しいですが、文具等の雑費として、必要になったときに適切に使いたいと思います。
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巻: 781 ページ: 60-81
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