宇宙の構造形成における重力非線形成長の理論研究と観測的宇宙論への応用

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26400264
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 二間瀬 敏史 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20209141)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 超新星サーベイ / 宇宙の大規模構造 / 重力レンズ / ニュートリノ / PSF補正

研究実績の概要

近い将来に実現される大規模銀河サーベイと超新星サーベイの観測から宇宙論に関してどのような成果が得られるかを検討し、今年度は主に超新星に着目し、そのみかけの明るさの赤方偏移依存性を調べた。超新星は宇宙の大規模構造による重力レンズの影響を受けるため、みかけの明るさの変化が起こる。その変化は大規模構造の進化やそれを引き起こす暗黒物質、ニュートリノ、暗黒エネルギーなどの性質に依存する。したがって超新星の明るさの平均からのずれを調べることで、これらの情報を引き出すことが可能である。今年度はニュートリノの質量に対する制限を取り上げた。その結果、赤方偏移が2程度までの十分な数の超新星が観測されれば、ニュートリノ質量が0.２エレクトンボルト程度まで制限可能であることが分かった。また銀河サーベイにおける銀河の形状測定のこれまでの研究を継続した。宇宙大規模構造の重力レンズ効果による銀河の微小な変形を統計的に求め暗黒エネルギーへの制限を求めることは、銀河サーベイの目的の一つであるが、そのためには銀河の正確な形状測定が不可欠であ。しかし実際に観測される画像は大気の揺らぎや望遠鏡の光学系の不完全さ、CCDによる画像のでこぼこなど様々な影響を受ける。この影響の補正をPSF(point Spread Function)補正というが、従来のPSF補正は不十分であるため全く違ったPSF補正方法を開発し、この方法による補正の精度を上げるための数値実験を行った。その結果、CCDの光子ノイズ（CCDがランダムに受ける光子による影響）以外の影響は、0.1 %以下の精度で取り除けることが分かった。さらに従来続けている近傍銀河団内の暗黒物質分布を弱い重力レンズ効果を用いてすばる望遠鏡で観測するプロジェクトが最優先のプロジェクトとして採択され、10数個の銀河団に対して画像データが得られた。

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

超新星のみかけの明るさが宇宙の大規模構造の重力レンズ効果によって変化する現象を定式化できたこと、およびそれを用いてニュートリノの質量に対する制限が得られることを示さた。
すばる望遠鏡による近傍銀河団に対して弱い重力レンズを用いて暗黒物質分布を調べるプロポーザルがすばる望遠鏡の新しい主焦点超広視野カメラの最優先プロジェクトとして採択され、10数個の銀河団の画像データを得ることができた。
また新しいPSF補正法によって従来に不十分であったいくつかの補正が改良できた。

今後の研究の推進方策

超新星のみかけの明るさの確率分布が非ガウス的である点に着目して、その非ガウス製から宇宙論的な情報を引き出せるか検討する。とくにこの非ガウス性は、密度揺らぎの非線形成長に伴う非ガウス分布の成長に関連しており、宇宙膨張の詳細、暗黒物質の性質の詳細に依存しており、これまで以上の情報が引き出せると期待している。
PSF補正については、唯一残ったCCDの光子ノイズの補正を研究する。さらに実際の観測データに適用して暗黒物質分布、暗黒エネルギーへの制限がどの程度得られるかを調べる。
近傍銀河団内の暗黒物質部分ハローの観測については従来の研究を続行し、観測データの解析を行う。

次年度使用額が生じた理由

アメリカの多くの大学、研究所が計画している大型望遠鏡による大規模銀河サーベイに関する研究打ち合わせに科研費でコロンビア大学に出張を予定していたが、他の用途も重なったため違う経費で出張した。その代わりにヨーロッパが計画している宇宙望遠鏡による大規模銀河サーベイに関する情報収集、そのデータを使った共同研究の可能性について議論するためボン大学に出張した。今年度の差額はその差である。

次年度使用額の使用計画

差額は、次年度の経費と合わせて台湾やフランスなど重力レンズの専門家との研究打ち合わせに使用する。

研究成果

• [国際共同研究] University of Birmingham/Liverpool John Moores University/Durham University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Birmingham/Liverpool John Moores University/Durham University
• [国際共同研究] Università degli Studi di Roma(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Università degli Studi di Roma
• [国際共同研究] MaxPlanck-Institut für Astrophysik(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: MaxPlanck-Institut für Astrophysik
• [国際共同研究] University of Helsinki(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: University of Helsinki
• [国際共同研究] University of Michigan/University of Arizona(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Michigan/University of Arizona
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 3
• [雑誌論文] Central mass profiles of the nearby cool-cire galaxy clusters Hygra A and A (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Okabe, K. Umetsu, T. Tamura, Y. Fujita, M. Takizawa, Y. Fukazawa, T. Futamase, M. Kawaharada, S, Miyazaki, Y. Mochizuki, K. Nakazawa, T. Ohashi, N. Ota, T. Sasaki, K. Sato, S. I .Tam,
  • 雑誌名: Monthly Notrices of Royal Astronomical Society 巻: 456 ページ: 4475-4487
  • DOI: 10.1093/mnras/stv2916
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LoCuSS: Testing hydrostatic equilibrium in galaxy clusters (2016)
  • 著者名/発表者名: G.P. Smith, P. Mazzotta, N. Okabe, F. Ziparo, S.L. Mulroy, A. Babul, A. Finoguenov, I.G. McCarthu, H. Bourdin, A.E. Evard, T. Futamase, C.P. Haines, M. Jauzac, D.P. Marrone, R. Martin, P.E. May
  • 雑誌名: Monthly Notrices of Royal Astronomical Society 巻: 2016 ページ: L76-L78
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slv175
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A new weak lensing shear analysis method using elliptricity defined by the 0th order moment (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Okura & T. Futamase
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophyiscs 巻: 576 ページ: A63
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201425450
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lens Statistics with Gravitationally Lensed yet Morphologically (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Masayo & T. Futamase
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 805 ページ: 184
  • DOI: 10.1088/0004-637X/805/2/184
  • 査読あり
• [学会発表] What is Einstein's General Relativity and current frontier science using GR (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Futamase
  • 学会等名: Celebrating A Century of General Relativity Einstein dan International Year of Light
  • 発表場所: Bandung, Indonesia
  • 年月日: 2015-08-24 – 2015-08-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Equation of Motion in Relativistic Gravity (2015)
  • 著者名/発表者名: W.G. Dixon, Y. N. Obukhov, D. Puetzfeld, D. Giulini, R. Plyatsko, M. Fenkola, D. Singh, L. filipe, O.Costa, R.F. Connel, Y. Itin, J.S. Alexander, T. Futamase, A. I. Harte, A Pound, B wardell, V. Perlick, L.. Andersson, O. Semerak, P. Sukava, G. Scaefer, J. Steinhoff,
  • 総ページ数: 687
  • 出版者: Springer