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2014 年度 実施状況報告書

中性子星合体におけるrプロセス元素合成と重力波対応天体

研究課題

研究課題/領域番号 26400237
研究機関独立行政法人理化学研究所

研究代表者

和南城 伸也  独立行政法人理化学研究所, 階層縦断型基礎物理学研究チーム, 研究員 (30327879)

研究分担者 関口 雄一郎  京都大学, 基礎物理学研究所, 特定研究員 (50531779)
石丸 友里  国際基督教大学, 教養学部, 准教授 (90397068)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2019-03-31
キーワード元素合成 / rプロセス / 中性子星 / 状態方程式 / 電子捕獲 / ニュートリノ / 銀河系 / 化学進化
研究実績の概要

本研究の主要課題である、中性子星合体におけるrプロセス元素合成(金やウランなど、鉄より重い元素の起源)の計算を行った。中性子星合体のシミュレーションには、2つの中性子星の質量および高密度状態方程式について、様々な組み合わせが可能である。本研究の初年度であることを考慮し、まず、観測的に最も典型的と考えられる中性子星質量の組(1.3太陽質量+1.3太陽質量)について、一つの高密度状態方程式を適用してシミュレーションを行い、rプロセス元素合成の計算に適用した。その結果は太陽系のrプロセス元素組成とほぼ合致し、特に、これまでの研究では説明できなかった、銀などを含む比較的軽いrプロセス元素についても、観測と矛盾なく説明することができた。これは、先行研究では無視されていた、電子・陽電子捕獲やニュートリノ捕獲などの弱い相互作用反応を正確に考慮したことによるものである。研究結果は学術雑誌アストロフィジカル・ジャーナルで発表され、また、理化学研究所のプレスリリースで取り上げられた。さらに、元素合成の計算に基づいて、rプロセス元素の銀河科学進化計算を行った。銀河系がより小さい銀河の合体から形成されたというシナリオに基づき、これまでの中性子星合体説の問題であった、銀河初期における中性子星合体の寄与についても観測と矛盾なく説明できることを示した。研究成果はアストロフィジカル・ジャーナルで発表された。以上より、これまでの超新星説に代わり、中性子星合体がrプロセス元素の起源である可能性が高いことが示された。

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

初年度の目標は、まず、中性子星合体の典型的なモデルについての元素合成計算の環境を整えることであった。その最初の試みで、これまでの研究では説明できていなかった問題、すなわち銀などの軽いrプロセスの合成も同時に説明するという問題が解決される可能性を示すことができた。さらに、2年目以降の目標であった銀河化学進化の研究についても進めることができ、これまでの問題であった中性子星合体の銀河初期における寄与についても、一定の成果を収めることができた。

今後の研究の推進方策

今後は、観測的に可能な連星中性子星の質量範囲(1.2~1.5太陽質量)について、様々な組み合わせについてのrプロセス元素合成計算を行う。また、複数の高密度状態方程式についても同様の計算を行う。それぞれの結果について太陽系のrプロセス元素組成と比較を行い、どのような中性子星質量、状態方程式の組み合わせがrプロセス元素の起源の典型的モデルとなるかについて検証する。また、それぞれのモデルについてrプロセス新星の光度曲線計算を行う。これは、KAGRA等の次世代重力波検出装置によって中性子星合体からの重力波が捕らえられた場合、その光学対応天体を特定するために重要なテンプレートとなる。銀河化学進化モデルについてもさらに改善していく。

次年度使用額が生じた理由

研究分担者2人の未使用分。次年度に研究分担者が使用する旅費が必要となる見込みがあったため。

次年度使用額の使用計画

次年度の研究分担者の旅費として使用予定。

備考

NHKコズミックフロント「エレメントミステリー ~元素が支配する 宇宙と生命~」(2014年9月18日放送)、科学雑誌ニュートン記事 FOCUS「金やレアアースは,「中性子星の合体」でつくられた!?」(2014 年 10 月号)、JST サイエンスポータル ニュース速報「宇宙の錬金術師は中性子星の合体か」(2014年7月22日)で本研究の成果が紹介された。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (13件) (うち招待講演 13件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Neutron Star Mergers as the Origin of r-process Elements in the Galactic Halo Based on the Sub-halo Clustering Scenario2015

    • 著者名/発表者名
      Yuhri Ishimaru , Shinya Wanajo , and Nikos Prantzos
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 804 ページ: L35 (5pp)

    • DOI

      10.1088/2041-8205/804/2/L35

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Production of All the r-process Nuclides in the Dynamical Ejecta of Neutron Star Mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo, Yuichiro Sekiguchi, Nobuya Nishimura, Kenta Kiuchi, Koutarou Kyutoku, and Masaru Shibata
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 789 ページ: L39 (6pp)

    • DOI

      10.1088/2041-8205/789/2/L39

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Universality of the r-process2015

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      12th Russbach School on Nuclear Astrophysics
    • 発表場所
      Hotel Gasthof Auswinkl, Russbach, Austria
    • 年月日
      2015-03-08 – 2015-03-14
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process 元素合成2015

    • 著者名/発表者名
      和南城伸也
    • 学会等名
      コンパクト連星合体からの重力波・電磁波放射と その周辺領域
    • 発表場所
      京都大学基礎物理学研究所(京都府京都市左京区)
    • 年月日
      2015-02-12 – 2015-02-14
    • 招待講演
  • [学会発表] Origin of the r-process nuclei and there levant nuclear physics2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Progress in nuclear shell-model calculations in CNS-RIKEN collaboration
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • 年月日
      2014-11-26 – 2014-11-28
    • 招待講演
  • [学会発表] The r-process in the ejecta from neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Recent progress on r-process and nucleosynthesis
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • 年月日
      2014-11-25 – 2014-11-25
    • 招待講演
  • [学会発表] Origin of gold: supernovae vs neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Kavli IPMU - RIKEN iTHES - Osaka TSRP Symposium ”Frontiers of Theoretical Science MATTER, LIFE and COSMOS - ”
    • 発表場所
      Kavli IPMU(千葉県柏市)
    • 年月日
      2014-11-06 – 2014-11-06
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in the neutrino-processed ejecta of neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      4th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
    • 発表場所
      Hilton Waikoloa Villagel, Hawaii, USA
    • 年月日
      2014-10-07 – 2014-10-11
    • 招待講演
  • [学会発表] origin of the r-process nuclei2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Advances and perspectives in computational nuclear physics
    • 発表場所
      Hilton Waikoloa Village, Hawaii, USA
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-07
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      和南城伸也
    • 学会等名
      新学術領域研究「実験と観測で解き明かす中性子星の核物質」第 3 回研究会
    • 発表場所
      熱川ハイツ(静岡県賀茂郡東伊豆町)
    • 年月日
      2014-09-23 – 2014-09-25
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Nuclear Physics and Astrophysics of Neutron-Star Mergers and Supernovae
    • 発表場所
      ECT*, Trento, Italy
    • 年月日
      2014-09-08 – 2014-09-12
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      和南城伸也
    • 学会等名
      Supernovae and gamma-ray bursts
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • 年月日
      2014-08-25 – 2014-08-27
    • 招待講演
  • [学会発表] 中性子星合体のrプロセス2014

    • 著者名/発表者名
      和南城伸也
    • 学会等名
      「宇宙核物理実験の現状と将来」研究会
    • 発表場所
      大阪大学核物理研究センター(大阪府茨木市)
    • 年月日
      2014-08-07 – 2014-08-08
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      iTHES-Kavli IPMU-RESCEU Joint Meeting
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • 年月日
      2014-07-07 – 2014-07-08
    • 招待講演
  • [学会発表] r-process in SN and neutron star mergers2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Wanajo
    • 学会等名
      Simulating the Supernova Neutrinosphere with Heavy Ion Collisions
    • 発表場所
      ECT*, Trento, Italy
    • 年月日
      2014-04-07 – 2014-04-11
    • 招待講演
  • [備考] 金やウランなどの重い元素は中性子星の合体で作られた可能性が高い

    • URL

      http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140717_2/

  • [備考] 金やウランなど鉄より重い元素は 中性子星の合体によってつくられた!?

    • URL

      http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/publications/news/2014/rn201411.pdf

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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