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

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400237
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 和南城 伸也 上智大学, 理工学部, 准教授 (30327879)
• 研究分担者: 関口 雄一郎 東邦大学, 理学部, 准教授 (50531779) ; 石丸 友里 国際基督教大学, 教養学部, 上級准教授 (90397068) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 中性子星合体 / 超新星爆発 / rプロセス / 重力波 / キロノバ / 銀河化学進化 / 矮小銀河

研究実績の概要

本研究の目的は、中性子星合体における元素合成および重力波対応天体キロノバの研究により、レアアース、金、ウランなどのrプロセス元素の起源を解明することであった。中性子星合体の元素合成の計算 (Wanajo et al. 2014) に基づくキロノバの観測予測を行い (Tanaka et al. 2018)、その直後に中性子星合体GW170817が発見された。対応するキロノバの観測結果は我々の予測の範囲内で説明され、rプロセス元素がつくられたことが示された。
中性子星合体には1億年以上を要するため、銀河初期の星に観測されるrプロセス元素の存在が説明できないという問題があった。銀河系は様々な質量のサブハローの合体により形成され、低質量のサブハローほど星形成率が低いという仮説の基に銀河化学進化の計算を行い、観測されるrプロセス元素の存在は中性子星合体で説明できること、ストロンチウムなどの軽いrプロセス元素には超新星などの別も起源も必要なこと、そしてサブハローモデルが矮小銀河の化学進化も説明可能であることを明らかにした (Ishimaru et al. 2015; Ojima et al. 2018)。
最終年度（本年度）は、中性子星合体がrプロセス元素の主要な起源であることを実証するために、rプロセス元素の核崩壊加熱率に関する研究を行った (Wanajo 2018)。中性子星合体GW170817の観測によりレアアースが存在することは明らかにされたが、金やウランなどの重いrプロセス元素がつくられた証拠は得られていない。GW170817での主要な熱源はrプロセス元素ではなくニッケル66（半減期2.3日）のような軽い元素であった可能性を示し、重いrプロセス元素がつくられたことを明らかにするには、将来の観測でカリフォルニウム254（半減期61日）の兆候を捉えることが有効であることを示した。

研究成果

• [国際共同研究] パリ天体物理学研究所/パリ天文台(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: パリ天体物理学研究所/パリ天文台
• [国際共同研究] マックスプランク研究所/GSI(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所/GSI
• [国際共同研究] モナッシュ大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: モナッシュ大学
• [雑誌論文] Mass measurements of neutron-deficient Y, Zr, and Nb isotopes and their impact on rp and nup nucleosynthesis processes (2018)
  • 著者名/発表者名: Xing, Y. M., Li, K. A., Zhang, Y. H., Zhou, X. H., Wang, M., Litvinov, Yu. A., Blaum, K., Wanajo, S., Kubono, S., Martinez-Pinedo, G., Sieverding, A., Chen, R. J., Shuai, P., Fu, C. Y., Yan, X. L., Huang, W. J., Xu, X., Tang, X. D., Xu, H. S., Bao, T., et al.
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 781 ページ: 358-363
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.04.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical analysis of very metal-poor turn-off stars from SDSS-DR12 (2018)
  • 著者名/発表者名: Francois, P., Caffau, E., Wanajo, S., Aguado, D., Spite, M., Aoki, M., Aoki, W., Bonifacio, P., Gallagher, A. J., Salvadori, S., Spite, F.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 619 ページ: A10, 8 pp
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833824
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Stochastic Chemical Evolution of Galactic Subhalos and the Origin of r-process Elements (2018)
  • 著者名/発表者名: Ojima, T., Ishimaru, Y., Wanajo, S., Prantzos, N., Francois, P.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 865 ページ: 87, 12 pp
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aada11
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physical conditions for the r-process I. radioactive energy sources of kilonovae (2018)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, S.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: in press ページ: in press
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] rプロセスと核崩壊加熱率 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 重力波観測時代のrプロセスと不安定核
  • 招待講演
• [学会発表] rプロセスと核分裂 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和南城伸也
  • 学会等名: 超重元素研究の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] The r-process in neutron star mergers and the radioactive energies (2018)
  • 著者名/発表者名: Wanajo, S.
  • 学会等名: Fifth Joint Meeting of the Nuclear Physics Divisions of the APS and The JPS
  • 国際学会 / 招待講演